Как вырастить искусственный глаз
Японские исследователи воспроизвели развитие глаза вне живого организма. Культура эмбриональных клеток сама сформировала трёхмерную глазоподобную структуру по программе, которой её снабдили учёные.
Научный мир бурно обсуждает последние новости из Японии, и речь вовсе не о взбунтовавшемся атоме: в Институте физико-химических исследований RIKEN вырастили искусственный глаз. Если отделить суть работы от сопровождающих её восторженных метафор и научно-фантастических прогнозов, то получится следующее.
У позвоночных глаз формируется сложным и загадочным образом. Сначала у зародышей образуется так называемый глазной пузырь – вырост на переднем краю зародышевого мозга. Затем передняя стенка этого пузыря начинает загибаться внутрь, пока не встретится с противоположной стенкой (как если бы на воздушный шарик нажали пальцем или ладонью и давили бы до упора -- при условии что он не лопнет). В результате получается бокаловидная структура, которая так и называется – глазной бокал. Дно этого бокала двуслойно. Внешний слой, который находится ближе к мозгу, составляют пигментные клетки сетчатки: они обеспечивают последней питание и поддержку. Внутренний слой – клетки собственно сетчатки; слой необычайно сложен и дифференцирован, содержит разные типы светочувствительных нейронов (известные как палочки и колбочки), сопутствующих глиальных клеток, ганглионарные клетки, которые проводят сигнал непосредственно в мозг, и так далее.
Что же сделали японские учёные? Они поместили эмбриональные клетки мыши в специальный белковый суп, который направил их развитие в сторону сетчатки. (Напомним, что эмбриональные клетки обладают замечательным свойством: они могут превращаться в любой из более чем 200 типов клеток взрослого организма.)
Предыдущие работы в этом направлении велись, но результаты были и впрямь не столь впечатляющими. До этого биологам удавалось заставить эмбрион лягушки сформировать глаз в неподходящем для того месте – но в данном случае исследователи обрабатывали цельный эмбрион, а не культуру клеток. Были также получены результаты по превращению человеческих эмбриональных клеток в пигментированные питающие клетки сетчатки. Японские учёные сумели сделать именно глазной бокал: эмбриональные клетки у них росли в особом белковом геле, который механически поддерживал образующуюся структуру.
Клетки работали в точности так, как если бы они находились не на лабораторном столе, а в зародыше. Первым делом они превратились в предшественников сетчатки и сформировали в течение полутора недель тот самый глазной пузырь. Затем глазной пузырь оформился в глазной бокал. Оба слоя стенок и дна бокала начали стремительно дифференцироваться сообразно своему положению – в пигментные эпителиальные клетки поддержки или в светочувствительные и светопроводящие нейроны. По мере развития «глаза» исследователям удалось проследить за стадиями превращения пузыря в бокал. В двух словах: те клетки, что должны были вогнуться, «расслабляли» свой цитоскелет. Затем клетки, которые находились на сгибе (они должны были разделить внешний и внутренний слой), приобретали клинообразную форму, как бы указывая их соседкам, куда предстоит вгибаться. Наконец, само прогибание слоя клеток внутрь пузыря происходило вследствие интенсивного деления; из-за увеличения числа клеток стенке пузыря приходилось изгибаться – в указанном направлении.
Напоследок учёные решили проверить, так ли уж правильны получившиеся в этом искусственном зрительном бокале предшественники зрительных нейронов. Клетки внутренней стенки бокала изымались и помещались в такое же белковое желе, где они могли формировать трёхмерные структуры. И клетки образовывали шестислойные структуры с синапсами, в совокупности характеризующие зрелую сетчатку!
Статья, посвящённая этой уникальной работе, опубликована в журнале Nature; материалу сопутствует множество комментариев.
Как говорит Йошики Сасаи, один из соавторов исследования, предстоит выяснить, может ли такой искусственный глаз воспринимать свет и передавать информацию в мозг. Впрочем, предыдущие работы по пересадке эмбриональной сетчатки взрослым крысам были успешны, что вселяет в учёных надежду на «правильность» их искусственного глаза. Но и без этого группой получен фундаментальный результат: оказывается, эмбриональные стволовые клетки могут сами по себе формировать сложные структуры, опираясь только на изначальную программу. Постоянное подталкивание извне в нужном направлении им не требуется.
Ну а с практической точки зрения это огромный шаг вперёд в создании «регенеративной медицины», которая позволит не лечить с переменным успехом больную ткань (особенно если эта ткань больна генетически), а просто заменить её на здоровую, выращенную «в пробирке».
