На МКС впервые вырастили мышиные эмбрионы

Японские ученые отправили на Международную космическую станцию установки для разморозки и культивации двухдневных мышиных эмбрионов. Астронавты культивировали эмбрионы в течение четырех дней в условиях микрогравитации и искусственной нормальной гравитации, а параллельно ученые культивировали такие же эмбрионы на Земле. В космосе до стадии бластоцисты развились меньше эмбрионов, чем в земных условиях, но дифференцировка клеток и экспрессия генов в них были сопоставимы. Это предполагает, что эмбрионы млекопитающих могут развиваться под действием микрогравитации в космосе. Исследование опубликовано в iScience.

Размножение в космосе — совсем не то же, что на Земле. В космосе на самих животных, их половые клетки и эмбрионы действуют радиация и микрогравитация. Ранние исследования показали, что микрогравитация вызывает нарушения оплодотворения и эмбрионального развития у морских ежей и амфибий, но это не всегда приводит к летальным последствиям — ученым удавалось получить потомство из яиц или эмбрионов, которые развились в космосе. Беременные мыши, побывавшие в космосе в середине и в конце беременности, тоже смогли родить здоровое потомство, хотя полет и повлиял на рождаемость, массу тела и неонатальную смертность. Также на МКС успешно размножились японские медаки (рыбы).

Однако до сих пор не до конца ясно, как микрогравитация и радиация в космосе влияют на развитие ранних эмбрионов млекопитающих. Исследователи ранее культивировали эмбрионы мышей на Земле в условиях искусственной микрогравитации, а затем переносили их в матку мышей. Клетки таких эмбрионов хуже дифференцировались, многие из них погибали, не достигнув стадии бластоцисты. Тем не менее ученым удалось получить здоровое потомство из таких эмбрионов, хотя рождаемость была снижена. Также несколько лет назад исследователи из Китая отправили ранние мышиные эмбрионы на орбиту и показали, что в космосе они хуже развиваются до бластоцисты. При этом они пришли к выводу, что более значительное влияние оказывает радиация, а не микрогравитация.

Теперь Саяка Вакаяма (Sayaka Wakayama) из Университета Яманаси с коллегами разработали устройства для разморозки и культивирования эмбрионов (embryo thawing and culturing unit, ETC). С их помощью астронавты смогли разморозить и культивировать двухклеточные эмбрионы мышей (без прямого контакта с ними) на МКС в течение четырех дней, а затем зафиксировать их до тех пор, пока они не будут снова доставлены на Землю. В августе 2021 года кораблем компании Space X на МКС отправили восемь установок ETC, каждая из которых содержала 90 замороженных двухклеточных эмбрионов. Половину ETC (четыре штуки) инкубировали в условиях микрогравитации, а вторую половину — в условиях искусственной гравитации на МКС. В то же время эмбрионы в еще четырех ETC размораживали и культивировали в обычных условиях на Земле. В сентябре 2021 года эмбрионы вернулись на Землю.

Исследователи измерили общую дозу радиации, полученную эмбрионами за время эксперимента: она составила 4,29 миллигрей. Ученые извлекли 134 эмбриона (37,2 процента) из ETC, которые были на Земле, 61 эмбрион (16,9 процента), который развивался в условиях микрогравитации на МКС, и 72 эмбриона (20 процентов), которые культивировали на МКС в условиях искусственной гравитации. Эмбрионы на МКС в пять—шесть раз чаще прекращали развиваться на стадии двух клеток (44–47 процентов против 8,2 процента на Земле). В земных условиях 61,2 процента извлеченных эмбрионов доросли до бластоцисты, в условиях микрогравитации на МКС — 23,6 процента, а в условиях искусственной гравитации на МКС — 29,5 процента.

Эмбрион на стадии бластоцисты представляет собой полый шар, содержащий два типа клеток: одни образуют внешний слой, который называется трофобластом, и в дальнейшем формируют внезародышевые ткани, включая плаценту. Другие образуют внутренний слой — эмбриобласт или внутреннюю клеточную массу. Из них развивается сам зародыш и ряд оболочек. Имплантация эмбриона в матку возможна после успешного развития бластоцисты. Внутренняя клеточная масса всегда скапливается с одной стороны бластоцисты: возможно, она опускается под действием силы тяжести, и тогда микрогравитация может нарушить дифференцировку и локализацию эмбриональных клеток. Здесь во всех рассмотренных учеными бластоцистах визуализировались клетки трофобласта и внутренняя клеточная масса. Общее количество клеток и их доли были сопоставимы в эмбрионах, развивающихся в земных условиях и в условиях микрогравитации. А вот в эмбрионах, которые культивировали на МКС в условиях искусственной гравитации, клеток было меньше. Повреждений ДНК в эмбрионах, выращенных в условиях микрогравитации, ученые не обнаружили. Впрочем, в космосе эмбрионы все-таки развивались хуже, чем на Земле.

Гибель или остановку развития эмбрионов в космосе и на Земле ученые объяснили тем, что, вероятно, криопротектор не вымывается из их устройства плавно и вызывает цитотоксичность. Кроме того, во время секвенирования РНК во всех бластоцистах исследователи находили следы бактериальной РНК — судя по всему, образцы были загрязнены, и это тоже могло сыграть роль. Также исследователи отметили, что радиация вряд ли могла стать причиной плохой выживаемости эмбрионов на МКС: летальная доза для двухклеточных эмбрионов мышей составляет 300 миллигрей и выше, что в 70 раз больше дозы, которую получили эмбрионы в эксперименте.

Авторы заключили, что реальная микрогравитация незначительно влияет на формирование бластоцисты и начальную дифференцировку эмбрионов млекопитающих. Хотя до стадии бластоцисты в космосе развилось гораздо меньше эмбрионов, в этих бластоцистах было нормальное количество клеток, которые дифференцировались на внутреннюю клеточную массу и трофобласт, а профили экспрессии генов были похожи на профили экспрессии в эмбрионах, культивируемых на Земле и на МКС в условиях искусственной микрогравитации. Искусственно созданная микрогравитация, которую использовали в ранних исследованиях, по мнению авторов, негативно влияла на развитие эмбрионов в том числе за счет ротации, создаваемой клиностатом, а не только сама по себе. Исследователи не проверили, как будут развиваться эмбрионы, культивированные в космосе, если имплантировать их в матку живой мыши — это можно будет сделать в будущем.

Ранее мы писали о том, что длительное нахождение в космосе вызывает структурные изменения в головном мозге людей: увеличивается объем мозга и циркулирующего в нем ликвора, слегка деформируется гипофиз. Эти изменения сохраняются как минимум в течение года.