Сперматозоиды из стволовых клеток. Сперматозоид из пробирки - мужчины не нужны? Победа над бесплодием

30 Октября 2009

От бесплодия спасут искусственные половые клетки
Алексей Тимошенко, GZT.ru

Биологам впервые удалось получить половые клетки из эмбриональных стволовых. Это крайне важный шаг в получении искусственной спермы и яйцеклеток, ведь в перспективе именно с их помощью будут лечить бесплодие.

Группа ученых из Стэнфордского университета (США, штат Калифорния) опубликовала в журнале Nature , в которой рассказала о получении из эмбриональных стволовых клеток человеческих гамет – половых клеток. Об их непосредственном применении в репродуктивной медицине говорить преждевременно, хотя теоретически работа биологов может привести к радикальному решению проблемы бесплодия.
Бесплодие: окончательное решение вопроса?

Бесплодие у человека может быть вызвано целым рядом причин. Сложный и деликатный процесс формирования яйцеклеток и сперматозоидов зависит от сотен, если не тысяч факторов, и в настоящее время далеко не всегда удается справиться с его нарушениями.

Открытие стволовых клеток и последующее изучение их свойств дает определенную надежду на решение деликатной проблемы. Стволовые клетки могут неограниченно делиться и впоследствии приобретать различную специализацию, давая начало самым разным тканям и органам. Так почему бы их не использовать и для получения в лабораторных условиях половых клеток? Ведь репродуктивные органы формируются в конечном итоге всего из их нескольких штук!

Если в пробирке удастся вырастить из стволовых клеток сперматозоиды или яйцеклетку, главное – чтобы будущая мама смогла выносить подсаженный в матку эмбрион. Или можно прибегнуть к суррогатному материнству: тогда детей смогут иметь даже те пары, которые столкнулись с самыми тяжелыми нарушениями репродуктивной функции – отсутствием матки, яичников или семенников.

Впрочем, выращивать яйцеклетки и сперматозоиды из клеток, которые изначально половыми не являются, только предстоит научиться. Еще нужно будет понять, как перепрограммируется стволовая клетка, изучить возможные риски, отработать множество разных методов – именно над этими проблемами сейчас и работают ученые.
Прогресс не стоит на месте

О работах в области искусственных гамет в GZT.RU уже рассказывалось: летом 2009 года ученым из США удалось вырастить яйцеклетку из незрелого фолликула (пузырька внутри яичника, где формируется яйцеклетка в нормальных условиях), а их британские коллеги даже прошли весь путь, от стволовой клетки до сперматозоида.

И вот сделан новый шаг. Калифорнийская группа исследователей идентифицировала гены, воздействуя на которые удалось направить стволовые клетки по пути формирования гамет. Гены, обозначенные как DAZ и BOULE, оказались необходимы для мейоза – специфического для образования половых клеток процесса.

Обычные клетки делятся митозом: пополам и с получением каждой дочерней клеткой двойного комплекта ДНК. Половые же клетки образуются путем мейоза – делением два раза подряд с получением в итоге четырех клеток с одинарным комплектом генетического материала. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки снова получается клетка, несущая двойной набор ДНК, и в дальнейшем уже она начинает делиться митозом.

Хотя ученые использовали эмбриональные стволовые клетки, прогресс в области получения стволовых клеток позволяет надеяться на то, что со временем удастся отработать и достаточно надежные методики получения стволовых клеток из обычных. В таком случае у пациента можно будет взять крошечный кусочек кожи или иной ткани, выделить из него группу клеток, превратить их в стволовые, потом провести еще одну манипуляцию – и получить сперматозоиды или яйцеклетки.

Описанные многостадийные манипуляции сейчас кажутся крайне сложными. Ученые подчеркивают, что их работа «значительна с точки зрения дальнейших научных исследований в этой области», и только потом добавляют осторожное: «И потенциальных клинических применений». Подводных камней на пути решения проблемы бесплодия еще очень много, но движение вперед продолжается, и это исследование – тому наглядное свидетельство.

назад

Читать также:

08 Июля 2009

Сперма из стволовых клеток

Британские исследователи создали стратегию получения в пробирке мужских сперматогенных клеток-предшественниц (germline stem cells – GSCs) из человеческих эмбриональных стволовых клеток.

читать 15 Апреля 2009

Сперма-рекордсмен

По словам врачей американской клиники, проводивших процедуру ЭКО, 22 года между моментом сдачи образца спермы в 1986 году и оплодотворением в 2008 – это мировой рекорд.

читать 06 Апреля 2009

Мужская контрацепция: надо расслабить хвостик

Белок CATSPER1 – часть ионного канала, запускающего внутрь клетки ионы кальция. В результате хвостик сперматозоида начинает биться с усиленной энергией. В отсутствие этого белка сперматозоиду просто не хватает сил, скорости и подвижности оплодотворить яйцеклетку. Это же состояние Смит и его коллеги предлагают вызвать искусственно, заблокировав кальциевые каналы с помощью лекарственных препаратов.

читать 24 Октября 2008

Что влияет на качество спермы

Для мужчин есть две новости: плохая и хорошая. Плохая состоит в том, что на качество спермы влияет практически все, хорошая – все поправимо.

читать 14 Июля 2008

Хотите детей? Боритесь с ожирением!

Для мужчин, страдающих ожирением, характерен малый объем семенной жидкости и повышенное относительное содержание аномальных сперматозоидов.

Прогресс биоинформатики

Команда ученых из Кембриджского университета, Великобритания, и института Вейцмана, Израиль, создала искусственные сперматозоиды и яйцеклетки на начальном этапе их развития из обычных клеток человеческой кожи. Это настоящее достижение, которое может произвести революцию в познаниях о проблеме бесплодия. Сообщение о результатах опубликовано на сайте израильского института.

Японским исследователям в 2002 году удалось создать половые клетки из стволовых клеток животных. Спустя десять лет специалисты продвинулись, преобразовав в лабораторных условиях клетки человеческой кожи в зародыши сперматозоидов и яйцеклеток (primordial germ cells, PGCs).

Идея создания этих клеток родилась в 2006 году после изобретения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (induced pluripotent stem, iPS). Этот вид способен к перепрограммированию в зародышевые клетки, которые затем могут принять любой другой сценарий клеточного развития. Однако дальше пойти нельзя - закон запрещает сложные опыты на людях, - рассказал доктор Якоб Ханна из Департамента молекулярной генетики института Вейцмана.

"Не мышонка, не лягушку, а неведому зверушку"

Теперь ученые хотят вырастить половые клетки из клеток кожи мышей.

На следующем этапе исследователям предстоит ввести клетки в яичники или семенники мышей, чтобы проверить, разовьются ли они полностью в организмах животных, - сообщил руководитель исследования Азим Сурани. - С помощью такой процедуры можно вырастить полноценные половые клетки, а затем использовать их для оплодотворения.

Исследователи из Кембриджа создали половые клетки на ранней стадии развития, выращивая стволовые эмбриональные клетки человека в тщательно контролируемых условиях в течение недели. Теперь стоит цель - превратить ткани кожи взрослого человека в предшественников спермы и яйцеклеток. Это открывает перспективу создания половых клеток, соответствующих генам пациентов, - сообщает The Guardian .

Победа над бесплодием

Ранее исследователи создавали сперматозоиды и яйцеклетки из стволовых клеток грызунов, но проделать то же самое с клетками человека не удавалось, - говорится в статье. Теперь же, наблюдая за клетками, ученые надеются изучить, как формируются и вызревают сперматозоиды и яйцеклетки. Возможно, удастся выяснить, в чем разница между развитием клеток у здоровых и бесплодных людей.

Примечательно, что из мужских клеток можно создать не только сперматозоиды, но и яйцеклетки. Из женских клеток можно создать только яйцеклетки из-за недостатка Y-хромосомы.

Вперед, к функции Бога?

Также открытие содержит ключ к лечению онкологических заболеваний, диабета, аутизма, наркозависимости, депрессии, шизофрении с точки зрения эпигенетики - изменений, накопленных в течение жизни в генах, не изменяющих при этом структуру ДНК. Например, вследствие курения или воздействия химикатов.

Поскольку клетки сперматозоидов и яйцеклеток очень рано очищаются от эпигенетических изменений, появляется гипотетическая возможность устранять эпигенетические мутации. Функция эпигенетики - регулировать проявление генов, но при заболеваниях, возникающих с возрастом, изменения могут быть аномальными. Однако ученые не опускают руки и упорно движутся к цели, надеясь однажды приблизиться к манипулированию генами, от которых зависит человеческая жизнь и здоровье.

Стволовые клетки – это дифференцированные клетки тела, которые имеют свойство трансформироваться в любые другие функционально активные клетки. Они присутствуют практически во всех органах и тканях. Если в организме возникают какие-либо повреждения, автоматически происходит мобилизация стволовых клеток, после чего они с кровотоком направляются к нужному органу и там заменяют поврежденные волокна.

Стволовые клетки являются «универсальными». При необходимости они могут приобретать свойства и функции клеток любого типа тканей. Стоит отметить, что количество данных клеток в организме ограничено, поэтому при слишком сильных, множественных поражениях, организм не сможет осуществить полноценный «ремонт».

Стволовые клетки давно заинтересовали ученых. На данный же момент проходит множество исследований в данной сфере. Медики надеются при помощи их научиться лечить тяжелые патологии, в том числе и некоторые формы бесплодия.

Для забора стволовых клеток обычно используется:

1. Костный мозг. Операция проходит под общим наркозом, поэтому пациент не ощущает какой-либо дискомфорт.
2. Периферическая кровь. При этом отбираются только стволовые клетки, а другие составляющие крови возвращаются обратно организм. Данная процедура обычно проводится в амбулаторных условиях.
3. Жировая ткань. Процедура забора жира относится к самым малотравматичным.
4. Кровь из пуповины. Ее собирает акушерка. Никакой опасности для матери и новорожденного это не несет. Сбор стволовых клеток можно осуществлять вне зависимости от способа родов (самостоятельные или при помощи кесарева сечения).

Для выполнения медицинских манипуляций можно применять стволовые клетки, как самого больного, так и донорские. При этом донором может быть как родственник, так и абсолютно посторонний человек. То, насколько процедура окажется эффективной, будет напрямую зависеть от совместимости доноров и от индивидуальных особенностей организма человека.

После забора клеток их отправляют в лабораторию. Там происходит их размножение. Прежде чем трансплантировать данные клетки, специалисты проверяют их на наличие вирусов и патогенных бактерий. Если пациент в ходе терапии будет придерживаться рекомендаций лечащего врача, излечение должно будет наступить в самые короткие сроки.

Применение

Если у пациента бесплодие – стволовые клетки могут вводиться разными способами, например:

• ангиографическим – выполняется при помощи катетера;
• внутривенным;
• интратекальным – введение в спинномозговой канал;
• хирургическим – клетки вводятся непосредственно в очаг поражения.

Иммунитет

Лечение стволовыми клетками благоприятно влияет на иммунитет, поэтому если причиной бесплодия у пациента (женщины или мужчины) является перенесенный в прошлом воспалительный процесс, инфекционное заболевание, сбои в иммунитете или стресс, то оно сможет дать превосходные результаты.

Например, если бесплодие вызвал простатит, то такое лечение спровоцирует рассасывание спаек, возникших в районе простаты. Дело в том, что после введения стволовых клеток в организм они направляются к очагу патологического процесса и там воссоздают новую сеть здоровых сосудов. В свою очередь это приводит к восстановлению работы рецепторов, которые находятся в сосудистых стенках и в простате.

Все это препятствует застойным явлениям в предстательной железе. Помимо этого стволовые клетки способствуют восстановлению поврежденных тканей яичек и придатков, улучшают работу защитных сил организма, что крайне важно для борьбы с инфекцией. Таким образом, происходит нормализация работы эндокринной системы, улучшение показателей эякулята.

Для лечения простатита стволовые клетки берутся из позвоночника, а затем выращиваются в течение 40-60 дней. После этого средство вводится пациенту в вену инъекционным способом. Спустя полгода процедура повторяется.

Эндометрий

В течение месяца тело женщины подвергается воздействию половых гормонов, в результате чего происходит рост слизистой оболочки матки. При этом эндометрий становится максимально подходящий для имплантации оплодотворенной яйцеклетки и дальнейшего вынашивания плода.

Однако так происходит далеко не всегда. При эндокринных нарушениях и воспалительных процессах в органах малого таза, эндометрий плохо развивается, в результате чего плодное яйцо не может к нему прикрепиться. Как показывает практика, у 60-65%женщин, имеющих патологии эндометрия наблюдается бесплодие, а если беременность и наступает, то она вскоре заканчивается выкидышем.

К счастью, современные ученые нашли способ решения данной проблемы. Благодаря стволовым клеткам женщина теперь сможет зачать и выносить ребенка даже с тяжелыми патологиями эндометрия. В данном случае забор стволовых клеток происходит из жировой ткани пациентки. После обработки и выращивания в лаборатории их помещают в матку.

Таким образом, происходит быстрое восстановление эндометрия, а также обновление ооцитов. Данный процесс длится не больше 2 недель. На протяжении всего лечения женщине регулярно делают УЗИ. После достижения эндометрием нормальных показателей, проводится процедура ЭКО.

Метод уже был опробован на 40-летней пациентке, которая имела серьезные патологии эндометрия и на протяжении длительного времени не могла зачать ребенка. С ее диагнозом еще никому не удавалось забеременеть, однако израильские врачи створили настоящее чудо. Пациентка не только забеременела, но и выносила, успешно родила здорового малыша.

К основным преимуществам такой процедуры можно отнести ее простоту и в то же время высокую эффективность. Ученые утверждают, что с помощью стволовых клеток можно решить проблему бесплодия в 85% случаев. А это весьма неплохой показатель.

Истощения яичников

В данном случае терапия стволовыми клетками нередко комбинируется с различными методиками традиционной китайской медицины.

Сам план лечения выглядит примерно так:

1. Терапия стволовыми клетками. Женщине постепенно вводится 4 инъекции. Забор стволовых клеток происходит в области бедра (это занимает 30-60 минут), после чего их выращивают в лаборатории в течение 2-3 недель, а затем вводят обратно в тело пациентки инъекционным способом. Данные стволовые клетки будут восстанавливать половые клетки.
2. Традиционная китайская медицина. Она включает в себя иглоукалывание. Проводится оно 5 раз в неделю. Исключением может быть только период месячных. Таким образом, происходит создание наилучших условий для роста клеток в организме.
3. Туина. Это особая техника лечебного массажа. Выполняется он 5 раз в неделю. Исключением являются дни менструации.
4. Поддерживающая терапия.
5. Китайское лечение средствами, изготовленными на основе лекарственных растений. Длится оно на протяжении 3 месяцев.

Непосредственно сам период лечения стволовыми клетками продолжается 30 дней. Он происходит в медицинском учреждении. Традиционное китайское лечение, а также иглоукалывание выступают в роли вспомогательного средства.

После такого лечения работа яичников улучшается, стабилизируется гормональный фон, нормализуется работа нервной системы.

Создание гамет

Как выяснилось, в скором времени для продолжения рода людям не понадобятся репродуктивные клетки, выработанные их репродуктивными органами. Ученые научились создавать яйцеклетки и сперматозоиды искусственным путем.Это значит, что в медицине может произойти настоящий прорыв лечении бесплодия. Благодаря искусственным репродуктивным клеткам детей смогут иметь люди, которые в прошлом прошли курс химиотерапии или облучение во время лечения онкологии.

Выращивание половых клеток происходило в Калифорнийском университете. Для этих целей использовались стволовые клетки эмбрионов. Медики создали уникальный препарат, который состоит из витаминов и различных химических веществ. С его помощью и происходит преобразование стволовых клеток в сперматозоиды и яйцеклетки.

Готовые сперматозоиды оказались вполне пригодными для дальнейшего оплодотворения женской яйцеклетки. В то же время женские половые клетки остались на начальном этапе развития, в результате чего оплодотворение их было невозможным.

Однако ученые не отчаиваются и не планируют останавливаться на достигнутом. В дальнейшем они планируют создать репродуктивные клетки из клеток, взятых из кожи человека.

Данные клетки планируют поместить в особый раствор, в котором их биологическое время переведется до эмбрионального состояния, а затем из них получат «мужскую яйцеклетку» и «женский сперматозоид».

Стоит отметить, что такое заявление ученых вызвало в обществе множество разногласий в плане морали и этики. Если ученым удастся создать искусственные половые клетки, то в будущем у людей может исчезнуть желание самостоятельно продолжать род. Религия также не приветствует такое вмешательство в интимный процесс.

Противники данного эксперимента утверждают, что стволовые клетки могут использоваться в более нужных направлениях. Например, для терапии тяжелых болезней, выращивания внутренних органов в лабораториях.

Побочные эффекты

Возможно, в скором будущем стволовые клетки и займут почетное место в терапии всевозможных заболеваний, в том числе и тех, которые вызывают бесплодие. Однако на данный момент эта отрасль медицины находится в стадии начального развития и поэтому первые попытки терапии часто приводят к осложнениям.

Так, способность стволовых клеток быстро делиться может провоцировать рост доброкачественных и злокачественных опухолей в теле. Такой побочный эффект долгое время не был доказан. Однако в 2005 году специалисты одной из израильских клиник наблюдали стремительное развитие раковых опухолей в головном и спинном мозге у мальчика, после того как в Москве для лечения генетической болезни ему делали инъекции стволовых клеток. Специалисты центра «Шиба» доказали, что рост опухоли и инъекции стволовых клеток в данном случае связаны.

Кроме этого в последнее время участились смерти звездных пациентов (среди таких Илья Олейников, Жанна Фриске), которые прибегали к терапии стволовыми клетками. Все это шокировало общественность.

Важно сказать, что помимо канцерогенного эффекта, стволовые клетки могут оказывать еще аллергическое, токсическое и генетическое воздействие. Механизм работы стволовых клеток до конца не изучен, поэтому обращаться к подобному методу терапии без особой необходимости не рекомендуется.

Конечно, это еще не значит, что лечение стволовыми клетками бесперспективное занятие. Скорее должно пройти время, закончиться многочисленные эксперименты по введению средства животным и людям. Только после этого можно будет сказать, что лечение бесплодия стволовыми клетками является самым эффективным и безопасным.

понедельник, ноября 29, 2010 - 07:41

Британские ученые впервые создали человеческие сперматозоиды в лаборатории.

Сперматозоиды, названные полученные в пробирке (IVD), выращены из эмбриональных стволовых (ЭС) клеток. Исследователи надеются, что сперматозоиды IVD предоставят полезную модель для изучения развития сперматозоидов и причины мужского бесплодия.

Группа исследователей из Института Стволовых Клеток Северо-Восточной Англии (NESCI) в Ньюкасле, Великобритания, обрабатывали ЭС клетки человека химическими соединениями для выработки герминальных стволовых клеток - стволовых клеток, которые находятся в репродуктивных органах и превращаются в яйцеклетки и сперматозоиды. Затем они выделили эти герминальные стволовые клетки и продолжили культивировать их в присутствии реактивов, чтобы побудить их к дальнейшему развитию в зрелые сперматозоиды. Сперматозоиды IVD, также как и нормальные сперматозоиды, имели хвосты и были очень подвижны. Они также содержали только 23 хромосомы, по сравнению с 46 хромосомами во всех других клетках человека (кроме яйцеклеток, которые также содержат только 23 хромосомы - когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, они сливаются в одну клетку, имеющую в общей сложности 46 хромосом).

Профессор Карим Найерния, возглавлявший исследование, говорит: "Это важное событие, так как это позволит исследователям детально изучить, как формируется сперматозоид и привести к лучшему пониманию бесплодия у мужчин - почему это происходит и что является его причиной. Это понимание может помочь нам разработать новые способы помощи парам, страдающим бесплодием, чтобы они могли иметь генетически собственного ребенка. Это также позволит ученым изучить, как клетки, участвующие в размножении, страдают от токсинов, например, почему мальчики с лейкемией, проходящие химиотерапию, могут стать бесплодными - и, возможно, приведет нас к решению".

Исследование вызвало много споров, с предположениями в средствах массовой информации, что эта работа может привести к ненужности мужчин для воспроизводства человека. Профессор Найерния ответил на такие заявления, говоря: "Хотя мы можем понять, что некоторые люди могут иметь проблемы, это не означает, что люди могут быть воспроизведены в "колбе", и мы не собираемся это делать. Данная работа является способом исследовать, почему некоторые люди бесплодны и поиска причин этого. Если у нас будет лучшее понимание того, что происходит, это может привести к новым способам лечения бесплодия".

В Великобритании использование сперматозоидов IVD для воспроизводства человека является незаконным.

Лаборатории могут получить лицензии Комиссии по оплодотворению и эмбриологии человека (HFEA) Великобритании для выращивания сперматозоидов IVD, и их можно будет использовать для оплодотворения яйцеклеток, но полученные эмбрионы должны быть уничтожены через 14 дней после оплодотворения. Исследователи призывают к обсуждению и пересмотру законов, так как они считают, что техника имеет потенциал, чтобы в один прекрасный день быть использованной как средство для бесплодных мужчин стать отцами. Это будет долгим путем в будущее, однако, во-первых, должны быть рассмотрены необходимые вопросы безопасности сперматозоидов IVD. Предыдущие исследования на мышах обнаружили, что сперматозоиды IVD могут быть использованы для оплодотворения яйцеклеток, но полученное потомство имело серьезные проблемы со здоровьем и умерло в течение пяти месяцев, что указывает на дефекты, присущие сперматозоидам IVD.

Эта технология может быть выполнена только с использованием мужских ЭС клеток, которые имеют X и Y хромосомы. Женские ЭС клетки с двумя Х-хромосомами не могут формировать зрелые сперматозоиды, потому что мужские гены, найденные на хромосоме Y имеют важное значение для развития сперматозоидов – что позволяет рассеять мнение, будто данное исследование может означать "конец мужчин".

Другие члены научного сообщества имеют сомнения в значимости данного исследования о создании сперматозоидов IVD. Они предположили, что опубликованные данные являются недостаточными, чтобы доказать равнозначимость сперматозоидов IVD нормальным сперматозоидам. Профессор Азим Сурани из Кембриджского университета считает, что они были "спермоподобными клетками", находящимися "далеко от подлинных сперматозоидов".

С момента открытия стволовых клеток и их универсальной способности развиваться в любые другие клетки организма ученые думали над получением из них половых клеток. Такое открытие произвело бы революцию в лечении бесплодия - любой человек, независимо от возраста, состояния здоровья и даже наличия половых органов, мог бы иметь своего в генетическом отношении ребенка. Однако половые клетки настолько отличаются от всех остальных, что даже теоретическая возможность их получения «в пробирке» вызывала обоснованные сомнения.

И вот, 25 февраля 2016 года публикация в журнале Cell развеяла эти сомнения. Китайским исследователям удалось получить из эмбриональных стволовых клеток сперматозоиды, подходящие для экстракорпорального оплодотворения. В эксперименте использование этих клеток для зачатия привело к появлению здорового потомства, способного к размножению. До этого вырастить функциональные половые клетки вне организма никому не удавалось.

Немного школьной программы

У любого многоклеточного животного, размножающегося половым путем, есть два принципиально разных типа клеток: половые клетки, или гаметы, и все остальные клетки организма, или соматические клетки.

Соматические клетки содержат парный (диплоидный) набор хромосом - по половине от каждого из родителей (например, у человека 46 хромосом: 23 от матери и 23 - от отца). Эти клетки размножаются , которое называется митозом. Он происходит относительно просто: ДНК клетки удваивается, формируется два парных набора хромосом, затем эти наборы расходятся к разным полюсам клетки, после чего в ней образуется перетяжка, делящая ее пополам. В итоге получаются две одинаковые клетки, аналогичные материнской.

С половыми клетками все сложнее - их предшественницы, первичные половые клетки, или гоноциты, имеют парный набор хромосом, а в итоге из них должны получиться яйцеклетки и сперматозоиды с одинарным (гаплоидным) хромосомным набором. Поэтому процесс их деления (гаметогенез, который в случае сперматозоидов называется сперматогенезом) проходит несколько промежуточных стадий.

У позвоночных гоноциты формируются из универсальных стволовых клеток в желточном мешке эмбриона примерно с шестой недели его развития. По мере образования тканей и органов эти клетки мигрируют в половые железы (гонады), то есть в мужском организме - в яички. Там они формируют популяцию клеток, называемых сперматогониями. В начале полового созревания эти клетки начинают активно размножаться митозом.

При этом часть клеток дифференцируется в так называемые сперматоциты первого порядка, которые также обладают двойным набором хромосом. Эти клетки, в отличие от сперматогониев, делятся мейозом, при котором удвоения ДНК не происходит. В результате первого деления мейоза образуются сперматоциты второго порядка, несущие одинарный набор хромосом. Затем они проходят второе деление мейоза, аналогичное митозу, давая на выходе сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Эти клетки затем дифференцируются в зрелые сперматозоиды.

На каждой стадии этого процесса клеткам необходимы определенная среда, окружающие клетки и сигнальные факторы, направляющие их деление и развитие. Яички, имеющие сложную микроскопическую структуру, обеспечивают нужные условия, но воспроизвести эти условия в лаборатории - задача практически непосильная, особенно на последних этапах сперматогенеза.

Ближе всего к ее решению удавалось подойти сотрудникам Киотского университета в Японии. В 2011 году они смогли направить дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток в гоноцитоподобные клетки (ГПК), но для последующих стадий сперматогенеза их пришлось подсадить в яички взрослых мышей - добиться мейоза «в пробирке» у них не получилось.

«Хорошая штука»

Ученые из Китайской академии наук и их коллеги из Нанкина, Чанша, Хэфэя и Янчжоу использовали в своем исследовании наработки японских коллег. При помощи «коктейля» из цитокинов, аналогичных сигнальным молекулам ранних экстраэмбриональных тканей, они дифференцировали мышиные эмбриональные стволовые клетки в эпибластоподобные клетки (напоминающие желточный мешок) и далее в ГПК.

Чтобы создать им условия, близкие к внутренней среде половых желез, ГПК смешали в питательной среде с равным количеством эпителиальных клеток, полученных из яичек новорожденных мышей. После этого в среду добавляли различные сочетания морфогенов - веществ, направляющих дифференцировку клеток в нужном направлении и формирование из них органов и тканей. Как отметил один из исследователей Сяоян Чжао (Xiao-Yang Zhao), для получения нужной комбинации пришлось проделать сотни экспериментов. В результате сочетание морфогенов KSR, BMP-2/4/7, активина А и ретиноевой кислоты запустило процесс мейоза сперматоцитов.

Однако, запустив мейоз, необходимо регулировать его течение. Для этого на седьмой день из питательной среды убрали морфогены и добавили гормональную смесь: фолликулостимулирующий гормон, тестостерон и экстракт бычьего гипофиза. По поводу последнего эксперт-репродуктолог из Джексоновской лаборатории в Бар-Харборе (штат Мэн) Мэри Энн Хэндел (Mary Ann Handel) эмоционально заметила: «Бог знает, что в нем такого? Но, наверное, это хорошая штука».

Схема развития спермы in vitro и in vivo

Quan Zhou et al., Cell, 2016

Тем не менее, эта гормональная комбинация оказалась единственной, обеспечившей правильное течение всех ключевых стадий мейоза, что было подтверждено иммунохимическими, цитологическими, генетическими анализами, секвенированием и ПЦР. Результатом стало появление в культуре сперматидоподобных клеток с гаплоидным хромосомным набором - фактически, незрелых сперматозоидов без хвоста и с «лишними» органеллами.

Эти клетки использовали для оплодотворения путем стандартной процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ), при которой мужские гаметы вводят в яйцеклетку стеклянной микроиглой. Это привело к развитию морфологически полноценных эмбрионов, которые перенесли в матку мыши для вынашивания. Родившиеся мыши ничем не отличались от животных, зачатых естественным путем, и произвели собственное потомство.

Слово скептикам

Публикация китайцев заставила некоторых ученых сомневаться в полученных результатах. Так, руководитель киотского коллектива, разработавшего метод получения ГПК из стволовых клеток, Минитори Сайтоу указал на то, что температура в инкубаторе поддерживалась на уровне 37 градусов Цельсия, что может остановить развитие спермы. Он также отметил, что на флуоресцентной микроскопии в клетках не видны белки, характерные для ГПК.

Эксперт по стволовым клеткам из Утрехтского университета в Нидерландах Нильс Гейсен (Niels Geijsen) отметил, что успехи китайских ученых «изумительны, если [описанное в статье] действительно произошло».

Золотой стандарт

Несмотря на скепсис ряда коллег, исследователи отмечают, что их работа соответствует всем критериям «золотого стандарта» доказательства получения полноценных половых клеток «в пробирке», которые сформулированы уже упомянутой Хэндел с коллегами в 2014 году. Эти критерии включают нормальное количество ДНК, число и форму хромосом в клетках на всех стадиях развития, их правильное расхождение в ходе мейоза, а также пригодность полученных клеток для получения способного к размножению потомства. Сама Хэндел согласилась, что работа «золотому стандарту» соответствует.

Тем не менее, первый успех вдохновил многих ученых. «Если это работает у мыши, нет никаких биологических обоснований того, что это окажется неэффективным у человека. Но придется выяснять необходимые для этого условия [среды] и проводить клетки через эту очень тонкую хореографию», - отметил гарвардский эксперт по стволовым клеткам Джордж Дэйли (George Daley).

Как бы там ни было, лучше запомнить имена Сяояна, Цюаня Чжоу (Quan Zhou), Мэй Ван (Mei Wang) и их коллег. Если полученные ими результаты удастся подтвердить и воспроизвести, будет несложно выиграть пари на то, кто станет лауреатами одной из следующих Нобелевских премий в области медицины и физиологии.