Доктор биологических наук Сергей САВЕЛЬЕВ, заведующий отделом эмбриологии Института морфологии человека РАМН

Медицинская статистика во всем мире фиксирует неуклонное увеличение врожденных аномалий мозга - эмбрионы и плоды с нейральными нарушениями составляют 60 - 65% погибших. В чем же причины? Исчерпывающего ответа пока нет, но можно утверждать: он кроется в расшифровке механизмов управления формированием нервной системы. Об этом наш корреспондент Сергей Попов беседует со специалистом в области эмбрионального развития доктором биологических наук Сергеем Савельевым.

- Сергей Вячеславович, вы, вероятно, сталкивались с суждением, что зачастую в росте внутриутробных патологии "виноваты" генетические сбои, в значительной мере вызываемые ухудшающейся экологической обстановкой?

- Статистика свидетельствует не только об этом. Разумеется, наши представления ушли далеко вперед от средневековья, когда горячо обсуждались сроки подселения души в человеческий зародыш - ее присутствие якобы гарантировало нормальное развитие. На рубеже XIX-XX вв. гибель эмбрионов и спонтанные аборты связывали исключительно с инфекциями. Затем стали преобладать идеи о гормональных дефектах. В последние же десятилетия увлечение генетической детерминацией развития привело к доминированию другой точки зрения - весь онтогенез сводили к линейной реализации генетической программы, а ее нарушения считали причинами отклонений. Но эта мысль не подтвердилась: реальная доля генетических дефектов у человеческих эмбрионов с патологиями не превышает 10%, еще 5 приходится на инфекционные и токсикологические причины, а 85%, т.е. большая часть всех нейральных нарушений, остаются загадкой. В соответствии с новейшими гипотезами большинство из них возникает от загрязнения окружающей среды. Токсичные агенты, согласно этим взглядам, действуют не прямо на геном эмбриона, а на особые молекулы-регуляторы, в худшем случае - на гены-регуляторы. Однако почему-то никаких явных молекулярных дефектов выявить не удается.

Возвращаясь к истории вопроса, напомню: начало современных исследований патологий развития человека было положено одновременно в нескольких странах, в том числе и в России. В конце XIX - начале XX в. немецкий анатом и эмбриолог Вильгельм Гис (иностранный член-корреспондент Петербургской АН с 1885 г.) и отечественный зоолог Николай Кащенко обратили внимание на то, что эмбриональные аномалии встречаются на очень ранних стадиях. Что касается нервной системы, то постепенно сформировалась точка зрения, согласно которой наибольшее число отклонений в ее развитии возникает в течение первых 4 - 6 недель после оплодотворения. Такие пред-

Эксперименты по изменению кодирования позиционной информации у эмбрионов амфибий. Вверху слева - перенатяжение нейроэктодермы, справа - анатомические последствия, внизу - гистологические серии срезов мозга (желтым цветом показана норма).

ставления окончательно утвердились к концу 30-х годов XX в. и, получив многочисленные подтверждения, наиболее распространены и ныне. Хочу заострить на этом ваше внимание: судя по приведенной оценке, именно в первый месяц беременности зародыш наиболее уязвим для всякого рода негативных воздействий. Почему? Об этом чуть позже.

То, что эмбриональный морфогенез сопровождают многочисленные риски, подтверждают и цифры. По самым общим оценкам, только сотая часть оплодотворенных яйцеклеток трансформируется в новорожденного. Безусловно, острейший вопрос требует исследования. Особенно это касается раннего постимплантационного периода - из-за недоступности материала он изучен очень слабо. Даже в медицинских руководствах авторы вынуждены иллюстрировать его мышиными эмбрионами "на сходных с человеком стадиях развития". Несмотря на достижения генетики, молекулярной и клеточной биологии, нам практически ничего не известно о механизмах раннего эмбрионального формообразования различных систем человеческого организма.

- То есть, как тот или иной орган - печень, сердце, мозг и др. - обретают присущую им форму, остается неясным?

- Да. Между структурой ДНК и трехмерной морфологией организма лежит ничем не заполненная пропасть. Существует запись генетического кода в молекулах наследственности, указывающая последовательность аминокислот для будущего их сбора в молекулы различных белков. Но ген - линейная структура, в нем нет "проекта" формы уха, глаза, носа или длины ног. Там записаны лишь белки - основной материал для грядущего строительства.

Те или иные из них появляются в разные периоды в ходе эмбрионального развития. Существуют гены-регуляторы, "дирижирующие" временем и скоростью их синтеза. И все. К форме организма эти процессы не имеют никакого отношения. Законы формообразования не сводятся к биохимическим реакциям. Ведь, скажем, левая и правая рука одного и того же человека заметно различны и незаменимы, хотя их генетический аппарат одинаков. Увы, в эмбриологии намного чаще, чем хотелось бы, морфологические признаки возникают и успевают исчезнуть еще до того, как появится первая неоднородность в активности генов.

- Какие же события происходят в первые, столь уязвимые недели беременности?

- Оплодотворенная яйцеклетка делится сначала на 2, потом на 4, затем на 8, 16 и т.д. Шаровидный однослойный зародыш, состоящий примерно из 1000 клеток, через ряд преобразований становится многослойным. Эктодерма (поверхностный слой) дает начало зачаткам нервной системы (она закладывается первой, в период с 18 по 27 сутки после оплодотворения), кожного эпителия, органов чувств. Из среднего слоя (мезодермы) позднее формируются мышцы, хрящи, кости, органы крово- и лимфообразования и др. Из внутреннего слоя (эндодермы) образуются эпителий кишечника и связанные с ним железы (поджелудочная, печень), а также легкие. Уже к тридцатому дню видны зачатки конечностей, туловища, головы.

- Как же размечается ход этого грандиозного "строительства"? И что происходит вначале: развертывание генетической программы, сопровождающееся синтезом белков с дальнейшим изменением пространственных межклеточных взаимодействий, или же последние запускают генетический каскад?

- Ответ вытекает из результатов многочисленных экспериментов, проведенных в разных странах. Они свидетельствуют: избирательное умерщвление даже половины клеток зародыша подопытного животного на ранних стадиях развития не ведет к утрате им жизнеспособности, он компенсирует потери. Отсюда вывод: если гибель даже большого числа клеток не чревата патологией, то программа их поведения, подчеркиваю - на ранних стадиях формирования эмбриона, не внутри их самих. Допущение, что информация от одной к другой переносится химическим путем, по итогам тех же опытов тоже не подтверждается, поскольку

умерщвление части из них должно, согласно этим представлениям, вести к блокировке диффузии химических веществ, нарушению передачи сигнала с последующим развитием патологии, а ее не наблюдается. Тогда какой же механизм срабатывает в реальности?

Мы предположили, что информация от клетки к клетке в зародыше передается биомеханическим путем. Для объяснения его сути сделаю небольшое отступление, напомнив, что клетка, как, впрочем, и целый организм - механически жесткая конструкция. Ее форму в условиях гравитации поддерживает внутренний каркас - цитоскелет на основе нескольких специфических белков. Именно благодаря ему она реагирует на воздействие со стороны своих соседей: при растяжении вдоль - сжимается поперек и наоборот. А вот межклеточные механические напряжения служат носителем позиционной информации. Она говорит о месте, занимаемом клеткой в зародыше, времени и программе ее действий. Думаю, не случайно природа распорядилась так, что 90% всех рецепторов нашего организма - механорецепторы. Считывание данных о давлении, сжатии, растяжении происходит с помощью миллионов расположенных на поверхности каждой клетки механозависимых ионных каналов*, описанных в большинстве тканей животных и растений (в реальности это выглядит так: при нажатии на клетку каналы открываются, меняется заряд мембраны, а спустя минуты внутри повышается концентрация хлора - так она и узнает о внешнем воздействии).

В отличие от взрослого организма клетки эмбриона расположены довольно рыхло, поскольку "подвешены" в жидкости. И даже небольшого механического воздействия достаточно, чтобы перезарядить ионные канаты и считать позиционный сигнал. Но данный процесс идет медленно, каналы должны быть открыты несколько минут во избежание ошибки, в итоге которой развитие может нарушиться.

- Какую же тогда роль в эмбриональной клетке играет геном?

- Когда некое внешнее воздействие продолжается более 7 мин, клетка считывает сигнал как информационный и "включает" гены внутри ядра. Это приводит к выработке определенных белков и запуску генетических каскадов, останавливающих считывание (всего за период эмбрионального развития клетка принимает 10 - 12 сигналов). Чем ближе к окончанию дифференцировки, тем меньше роль позиционного сигнала.

В нашей модели механозависимые ионные каналы, а также межклеточные взаимодействия в период эмбрионального развития являются активаторами, задающими первичную разметку. Геном же в данном случае - система ингибирующая, т.е. биомеханические контакты, еще раз подчеркну, предшествуют запуску генетических программ.

- Старая истина: теория проверяется экспериментом...

- Еще в опытах конца 1980-х - первой половины 1990-х годов на беременных крысах мы показали: блокировка механозависимых ионных каналов вызывает сходные с человеком аномалии развития. Позднее был задуман опыт, в ходе которого предполагалось поставить часть клеток зародыша животного в условия, изменяющие их последующую судьбу. Для этого в межклеточное пространство нейроэпителия зародыша (эксперимент проводили на амфибии) вводили две стеклянные иголочки с кончиком толщиной 4 мк. Затем их начинали медленно разводить в стороны буквально по 1 мк с помощью специального приспособления и фиксировать в течение 7 мин. Потом иголки вытаскивали, и зародыш продолжал нормальное развитие - кроме группы клеток, оказавшихся в необыч-

Эксперименты на зародышах амфибий по изучению механозависимых ионных каналов (стрелками показаны направления натяжения и сжатия). Сканирующая электронная микроскопия.

* Ионные каналы - порообразующие протеины, поддерживающие небольшую разницу потенциалов, существующих между внешней и внутренней сторонами мембраны всех живых клеток. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам (прим. ред.).

Реакции нейроэпителиальных клеток при поляризации, деформации пластов и растяжении.

Человеческий эмбрион и его плацента в норме (6 недель после оплодотворения).

ном поле натяжения. В результате отметили запрограммированные изменения: удвоение головных структур или увеличение определенного отдела мозга*. То есть стало ясно: морфогенез можно в прямом смысле сделать управляемым с помощью механических воздействий на клетки. Для количественной оценки результатов опыта всю систему во время растяжения погружали в жидкий азот для остановки движения ионов. После чего зародыш помещали в сканирующий электронный микроскоп с рентгеновским детектором, чтобы подсчитать число ионов непосредственно под мембраной. Измерив количество тех, которые прошли через мембрану в перечисленных фазах воздействия, мы выяснили: у амфибий позиционную информацию кодируют хлорные механозависимые ионные каналы, ибо количество хлора под мембраной возрастало, и максимум приходился на седьмую минуту воздействия. В итоге мы подтвердили не только сам факт чувствительности, но и то, что позиционный сигнал меняет дальнейшую судьбу клеток.

- Но как на основе полученных вами данных можно объяснить причины эмбриональной патологии, возникающей именно в первый месяц после оплодотворения?

- Я уже упоминал, зачатки нервной системы - головного и спинного мозга - закладываются именно в первый месяц беременности. Первоначально шарообразный зародыш в результате ряда преобразований приобретает форму полоски. Образуется нервная пластинка, а из нее - нервная трубка (этот этап развития специалисты называют нейруляцией). И уже затем нервная система начинает развиваться как относи-

* См.: П. Симонов. "Я" и мозг. - Наука в России, 1942, N 5, 6; С. Медведев. "Вселенная" мозга. - Наука в России, 2003, N 3; А. Иваницкий. Физиологические основы сознания; И. Шевелев. Мозг и опознание зрительных образов. - Наука в России, 2007, N 3 (прим. ред.).

Эмбрион человека возрастом 55 дней после оплодотворения.

Макроснимки человеческих эмбрионов. В центре - на стадии нейруляции (2 мм), справа - норма (5,5 недель после оплодотворения), слева - патология.

тельно самостоятельный орган. Правда, размеры ее тогда еще очень малы, ведь длина всего эмбриона, например, к 23-му дню не превышает 3,5 мм. Процесс преобразования нервной пластинки в нервную трубку очень уязвим, он протекает нормально лишь при отсутствии сбоев позиционной информации, носителем которой, как ранее сказано, служат межклеточные механические напряжения.

В проведенных нами опытах на амфибиях было установлено: повышение механочувствительности нейробластов (эмбриональных нервных клеток) совпадает с моментами изменений организации полей натяжений развивающегося зародыша. Например, перед гаструляцией* его механочувствительность снижается: в момент начала ее чувствительность к натяжениям возрастает, потом плавно уменьшается почти до нуля. Такая же схема событий сохраняется и при нейруляции. Со стадии бластулы нейробласты воспринимают направление механического растяжения или сжатия клеточного пласта. В зависимости от их угла изменялась морфологическая организация зародыша на последующих стадиях. Воздействия, совпадающие по направлению с нормальными натяжениями нейроэктодермы (слой нейробластов), не вызывали значительных изменений в развитии эмбриона. Однако при растяжении или сжатии ее под углом 8 - 12° к оси слоя плавное течение событий резко менялось. Если опыт проводили на стадиях бластулы или гаструлы, нейруляция останавливалась в самом ее начале. В аналогичных опытах на стадии нервной пластинки нарушалась дифференцировка переднего мозга. Изменяя угол и топологию воздействия, удавалось получить различ-

* Гаструла - стадия зародышевого развития многоклеточных животных, следующая за бластулой. Если последняя имеет однослойное строение, то гаструла - двух-, а затем и трехслойное (прим. ред.).

Два гистологических среза через голову эмбриона человека возрастом 7,5 недель: слева - норма, справа - патология.

ные формы анэнцефалии* в сочетании с мозговыми грыжами и кистозным расщеплением позвоночника, характерным и для человека.

Словом, несмотря на большое разнообразие, все варианты эмбриональных аномалий развития мозга человека могут быть объединены в три основные группы. В первую входят патологии, связанные с нарушением замыкания переднего конца нервной трубки. Ко второй относятся все варианты нарушения развития в районе промежуточного и среднего мозга. В третью следует включить изменения заднего, продолговатого, спинного мозга и кишечно-мозгового канала.

В связи с тем, что замыкание хвостового участка нервной трубки заканчивается раньше, чем в других областях, мы, как правило, очень редко встречаем случаи аномалий промежуточного и среднего мозга на уровне "крыши" этих отделов. С другой стороны, распространено кистозное расщепление позвоночника, как правило, сопряженное с различными видами спинномозговых грыж и других пороков развития. Высокая частота аномалий заднего, продолговатого, спинного мозга обусловлена тем, что нейруляция в спинном отделе зародыша наиболее длительна. Понятно, что вероятность воздействия токсинов или иных тератогенных** факторов на крайне нестабильный процесс нейруляции в спинном мозге значительно выше, чем на уровне промежуточного и среднего мозга.

Среднее положение по отношению к двум упомянутым занимает частота аномалий, ассоциированных с замыканием переднего конца нервной трубки. В зависимости от того, в какой период нейруляции данной зоны на нее оказывается тератогенное воздействие, результаты могут носить различный характер. Например, если это происходит в течение 23-го дня после оплодотворения, будет поврежден самый передний участок нервной трубки. В этом случае аномалия связана с закладкой и первичной дифференцировкой полушарий переднего мозга. Наиболее распространена алобарная прозенцефалия, проявляющаяся полным их неразделением. Они закладываются в виде единого выпячивания и сохраняются в таком виде у плодов и новорожденных.

По нашей гипотезе ошибки в считывании позиционного сигнала, ведущие к патологиям развития, вызываются разрушением цитоскелета клетки, а также блокировкой механозависимых ионных каналов.

- Какие факторы риска вы можете назвать в этой связи?

- Опасны любые попадающие в организм будущей матери вещества, влияющие на цитоскелет. Так, еще недавно не подозревали, что успокоительные тазепамного ряда, к которым часто прибегают нервничающие на ранних сроках беременности женщины, деполимеризуют цитоскелет. Позиционные сигналы перестают считываться, останавливается сворачивание нервной трубки, в итоге формируется патология. Но речь должна здесь идти не только о тазепаме, поскольку в нашей стране, к сожалению, практически не ведутся исследования возможного негативного влияния принимаемых будущей матерью лекарств на развитие плода. Если упомянуть другие факторы, то опасен как переизбыток витамина А, так и его недостаток. То же относится к кислороду. Одно и то же вещество в разных концентрациях может вызвать аномалию. Или, скажем, пищевые продукты с большим количеством консервантов и других химических добавок - список факторов риска огромен, в нем тысячи веществ. Именно потому, что информационный сигнал рождается из межклеточных взаимодействий, зародыш очень уязвим.

Иллюстрации предоставлены автором

* Анэнцефалия - врожденный порок, сопровождающийся отсутствием больших полушарий мола (прим. ред.). "Тератогенность - способность физических, химических или биологических факторов вызвать нарушения процесса эмбриогенеза, приводящие к возникновению врожденных уродств (прим. ред.).

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: