Бластоциста: структура эмбрионального развития млекопитающих.

Введение

Структура, формирующаяся примерно на 5-й день эмбрионального развития млекопитающих.

Бластоциста – это структура, формирующаяся на ранних стадиях эмбрионального развития млекопитающих. Она состоит из внутренней клеточной массы (ВКМ), также известной как эмбриобласт, которая впоследствии формирует эмбрион, и внешнего слоя клеток трофобласта, называемого трофектодермой. Этот слой окружает внутреннюю клеточную массу и заполненную жидкостью полость, известную как бластоцель. В поздней бластоцисте трофектодерма называется трофобластом. Название "бластоциста" происходит от греческих слов βλαστός (blastós) – "росток" и κύστις (kýstis) – "пузырь, капсула". У не млекопитающих животных эта структура представляет собой недифференцированный шар клеток и называется бластулой. У человека формирование бластоцисты начинается примерно через пять дней после оплодотворения, когда в моруле – ранней эмбриональной стадии, представляющей собой шар из 16 клеток – образуется заполненная жидкостью полость. Диаметр бластоцисты составляет около 0,1–0,2 мм, она состоит из 200–300 клеток (32 митотических деления) после быстрого дробления (деления клеток). Примерно через семь дней после оплодотворения бластоциста имплантируется в эндометрий стенки матки, где она подвергается дальнейшим процессам развития, включая гаструляцию. Для внедрения бластоцисты в эндометрий необходимо, чтобы она высвободилась из зоны пеллюциды – оболочки яйцеклетки, предотвращающей прикрепление к фаллопиевой трубе по пути к матке. При использовании бластоцист в экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) оплодотворенную яйцеклетку культивируют в течение пяти дней перед переносом в матку. Это может быть более эффективным методом лечения бесплодия, чем традиционное ЭКО. Внутренняя клеточная масса бластоцисты является источником эмбриональных стволовых клеток, широко применяемых в клеточной терапии, включая восстановление, замену и регенерацию клеток. Также в ЭКО и других методах лечения бесплодия может применяться вспомогательное вылупление из зоны пеллюциды.

Цикл разработки

Стадия бластоцисты наступает между 5 и 9 днями после зачатия. Во время эмбрионального развития, после оплодотворения (примерно через 5–6 дней у человека), клетки морулы начинают дифференцироваться, и морула превращается в бластоцисту. В матке зона пеллюцида, окружающая бластоцисту, разрушается, что позволяет ей имплантироваться в стенку матки. Имплантация знаменует собой окончание зародышевой стадии эмбриогенеза и начало гестации.

Образование бластоцисты

Зигота развивается путем митоза, и когда она формирует плотно сжатый шар из 8–16 клеток, ее называют морулой. До этой стадии развития все клетки (бластомеры) являются автономными и не предопределены к какому-либо конкретному последующему функциональному развитию. Затем морула развивается путем кавитации, образуя бластоцисту, или у многих других животных – бластулу. Клеточная дифференциация превращает клетки морулы в два типа: клетки трофобласта, окружающие бластоцель, и внутреннюю клеточную массу (эмбриобласт). Внутренняя клеточная масса состоит из эмбриональных стволовых клеток. На этой стадии концепт называется бластоцистой. Перед началом клеточной дифференциации два фактора транскрипции, Oct4 и Nanog, равномерно экспрессируются во всех клетках, но оба этих фактора транскрипции отключаются в трофобласте после его формирования. Сторона бластоцисты, где формируется внутренняя клеточная масса, называется эмбриональным полюсом, а противоположная – аэмбриональным полюсом. Внешний слой клеток трофобласта, образовавшийся в результате компактизации, перекачивает ионы натрия в бластоцисту, что вызывает поступление воды посредством осмоса и формирование внутренней, заполненной жидкостью полости бластоцисты (бластоцели). Бластоцель, клетки трофобласта и внутренняя клеточная масса – характерные признаки бластоцисты.

Имплантация

Имплантация критически важна для выживания и развития раннего человеческого эмбриона. Она устанавливает связь между матерью и ранним эмбрионом, которая сохраняется на протяжении всей беременности. Имплантация становится возможной благодаря структурным изменениям как в бластоцисте, так и в стенке эндометрия. Происходит нарушение целостности оболочки (zona pellucida), окружающей бластоцисту, процесс, называемый вылуплением. Это снимает ограничение на физический размер эмбриональной массы и обеспечивает контакт наружных клеток бластоцисты с внутренней поверхностью матки. Кроме того, гормональные изменения в организме матери, в частности пик лютеинизирующего гормона (ЛГ), подготавливают эндометрий к приему и окружению бластоцисты. Иммунная система также модулируется, чтобы обеспечить внедрение чужеродных эмбриональных клеток. После связывания с внеклеточным матриксом эндометрия, клетки трофобласта секретируют ферменты и другие факторы для внедрения бластоцисты в стенку матки. Выделяемые ферменты разрушают эндометриальную оболочку, а аутокринные факторы роста, такие как хорионический гонадотропин человека (hCG) и инсулиноподобный фактор роста (IGF), способствуют дальнейшему внедрению бластоцисты в эндометрий. Имплантация в стенку матки позволяет перейти к следующему этапу эмбриогенеза – гаструляции, включающему формирование плаценты из клеток трофобласта и дифференцировку внутренней клеточной массы в амниотический мешок и эпибласт.

Спецификация ячейки

Многочисленные процессы контролируют определение клеточной линии в бластоцисте, приводя к образованию трофобласта, эпибласта и примитивной эндодермы. Эти процессы включают экспрессию генов, клеточную сигнализацию, контакт клеток и их позиционное взаиморасположение, а также эпигенетические механизмы. После формирования внутренней клеточной массы в бластоцисте, она готовится к дальнейшей спецификации в эпибласт и примитивную эндодерму. Этот процесс спецификации, известный как определение судьбы клетки, частично осуществляется посредством сигнализации фактора роста фибробластов (FGF), которая активирует MAP-киназный каскад и изменяет клеточные геномы. Дальнейшее разделение бластомеров на трофэктодерму и внутреннюю клеточную массу регулируется белком гомеодомена Cdx2. Этот фактор транскрипции подавляет экспрессию факторов транскрипции Oct4 и Nanog в трофобласте. Эти геномные изменения обеспечивают прогрессивную спецификацию как эпибластных, так и примитивно-эндодермальных клеточных линий к концу фазы развития бластоцисты, предшествующей гаструляции. Большая часть исследований на этих ранних эмбриональных стадиях проводится на эмбрионах мышей, и конкретные факторы могут различаться у разных млекопитающих. Во время имплантации трофобласт дает начало внеэмбриональным мембранам и клеточным типам, которые в конечном итоге формируют большую часть плаценты плода – специализированного органа, через который эмбрион получает материнское питание, необходимое для последующего экспоненциального роста. Спецификация трофобласта контролируется сочетанием морфологических сигналов, возникающих из полярности клеток, дифференциальной активностью сигнальных путей, таких как Hippo и Notch, и ограничением спецификаторов клеточной линии, таких как CDX2, для наружных клеток. У мыши примитивные зародышевые клетки формируются из клеток эпибласта, процесс, сопровождающийся масштабным эпигенетическим перепрограммированием всего генома. Перепрограммирование включает глобальное деметилирование ДНК и реорганизацию хроматина, что приводит к клеточной тотипотентности. Трофобласты экспрессируют интегрин на своей клеточной поверхности, что обеспечивает их адгезию к внеклеточному матриксу стенки матки. Это взаимодействие способствует имплантации и запускает дальнейшую спецификацию в три различных клеточных типа, подготавливая бластоцисту к гаструляции.

Multiple processes control cell lineage specification in the blastocyst to produce the trophoblast, epiblast, and primitive endoderm. These processes include gene expression, cell signaling, cell cell contact and positional relationships, and epigenetics. Once the inner cell mass has been established within the blastocyst, it prepares for further specification into the epiblast and primitive endoderm. This process of specification known as cell fate determination is carried out in part by fibroblast growth factor (FGF) signaling which generates a MAP kinase pathway to alter cellular genomes. Further segregation of blastomeres into the trophectoderm and inner cell mass are regulated by the homeodomain protein, Cdx2. This transcription factor represses the expression of Oct4 and Nanog transcription factors in the trophoblast. These genomic alterations allow for the progressive specification of both epiblast and primitive endoderm lineages at the end of the blastocyst phase of development preceding gastrulation. Much of the research conducted on these early embryonic stages is on mouse embryos and specific factors may differ between mammals. During implantation, the trophoblast gives rise to extraembryonic membranes and cell types that will eventually form most of the fetal placenta, the specialized organ through which the embryo obtains maternal nourishment necessary for subsequent exponential growth. The specification of the trophoblast is controlled by the combination of morphological cues arising from cell polarity with differential activity of signaling pathways such as Hippo and Notch, and the restriction to outer cells of lineage specifiers such as CDX2. In the mouse, primordial germ cells are specified from epiblast cells, a process that is accompanied by extensive genome wide epigenetic reprogramming. Reprogramming involves global DNA demethylation and chromatin reorganization resulting in cellular totipotency. Trophoblasts express integrin on their cell surfaces which allow for adhesion to the extracellular matrix of the uterine wall. This interaction allows for implantation and triggers further specification into the three different cell types, preparing the blastocyst for gastrulation.

Тесты на беременность

Уровень хорионического гонадотропина человека (ХГЧ), выделяемого бластоцистой в процессе имплантации, является показателем, определяемым при проведении теста на беременность. ХГЧ можно измерять как в крови, так и в моче, чтобы установить, беременна ли женщина. При многоплодной беременности секреция ХГЧ увеличивается. Анализы крови на ХГЧ также могут использоваться для диагностики патологических состояний беременности.

Зачатие in vitro

Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) является альтернативой традиционному внутриматочному оплодотворению, при котором яйцеклетку оплодотворяют спермой и имплантируют полученный эмбрион в матку женщины. На протяжении многих лет эмбрион вводили в матку через два-три дня после оплодотворения. Однако на этой стадии развития очень сложно предсказать, какие эмбрионы будут развиваться наилучшим образом, поэтому обычно имплантировалось несколько эмбрионов. Имплантация нескольких эмбрионов повышала вероятность развития плода, но также приводила к многоплодной беременности. Это было серьезной проблемой и недостатком использования эмбрионов при ЭКО. Использование бластоцист при ЭКО у человека оказалось успешным. Бластоцисту имплантируют через пять-шесть дней после оплодотворения яйцеклеток. Через пять или шесть дней гораздо легче определить, какие эмбрионы приведут к рождению здорового ребенка. Знание того, какие эмбрионы будут успешными, позволяет имплантировать только одну бластоцисту, что значительно снижает риски для здоровья и затраты, связанные с многоплодной беременностью. Теперь, когда установлены потребности в питательных веществах для развития эмбриона и бластоцисты, стало намного проще обеспечивать эмбрионы необходимыми питательными веществами для поддержания их развития до стадии бластоцисты. Перенос эмбрионов после экстракорпорального оплодотворения – это процедура, при которой катетер вводится во влагалище, под контролем ультразвука направляется через шейку матки в полость матки, где бластоцисты вводятся в матку. Бластоцисты также имеют преимущество, поскольку их клетки можно использовать для генетического тестирования с целью выявления генетических проблем. В бластоцисте содержится достаточно клеток, чтобы можно было удалить несколько клеток трофэктодермы, не нарушая развитие бластоцисты. Эти клетки можно проверить на хромосомную анеуплоидию с помощью преимплантационного генетического скрининга (ПГС) или на конкретные заболевания, такие как муковисцидоз, также известный как преимплантационная генетическая диагностика (ПГД).

Процесс переноса эмбрионов

В процедуре переноса эмбрионов, после проведения первоначального ультразвукового исследования, используется спекулум для раскрытия стенок влагалища, а затем с помощью катетера эмбрион вводят через маточную трубу для его размещения в матке.