Риби розкрили причину зміни розвитку обличчя людини

Черепно-лицьові аномалії – одні з найчастіших вроджених дефектів у всьому світі. Причинами називають речовини в ліках, предметах домашнього вжитку і навколишньому середовищі. Як виявилося, вони впливають на розвиток ембріонів рибок даніо-реріо. За словами вчених, це допоможе зрозуміти, як відбувається внутрішньоутробний розвиток рис обличчя людини.

Черепно-лицьові аномалії становлять понад третину всіх вроджених дефектів. Понад 700 порушень пов’язані з черепно-лицьовими особливостями: як приклад можна навести ущелину губи (“заяча губа”) і піднебіння (“вовча паща”). Точну причину черепно-лицьових відмінностей до кінця не вивчено, але дослідники вважають, що тут можуть бути задіяні кілька чинників: генетика, екологія, спосіб життя батьків, деякі захворювання, ліки або хімічні речовини.

Останні дві називають тератогенами. Це речовини, які порушують ріст ембріона або плода. Потенційні тератогени зазвичай перевіряють на гризунах і кроликах. Однак останнім часом зростаюча кількість вироблених хімічних речовин вимагає їхнього аналізу та оцінки з високою продуктивністю і більшою точністю. Крім того, дослідники шукають альтернативні методи, які швидші, дешевші та зменшують необхідність тестування на ссавцях.

На допомогу прийшли риби даніо-реріо. Їхні ембріони прозорі, ростуть швидко, розвиваються поза тілом батьків, що робить їх ідеальними для вивчення раннього розвитку. За останні 10 років кілька дослідницьких проєктів показали, що рибок можна ефективно використовувати для перевірки на наявність тератогенів. Однак точні механізми, за допомогою яких тератогени порушують або змінюють типовий ембріональний розвиток, все ще вивчаються.

Наразі команда вчених Токійського університету зосередилася на конкретному генетичному маркері групи клітин, які беруть участь у черепно-лицьовому розвитку в ссавців і в риб. Відомо, що у людей вони стають частинами носа і щелепи. Дослідження опубліковано в журналі Toxicological Sciences.

Дорослих самців і самок даніо-реріо (через 4-10 місяців після запліднення) поміщали в резервуар для розмноження із сепаратором ближче до вечора за день до нересту. Вранці сепаратор знімали, а нерест стимулювали при ввімкненні світла. Запліднені ікринки збирали протягом однієї години після зняття сепаратора. Яйця інкубували в середовищі E3 за 28 °C і піддавали впливу тестованих сполук через чотири години після запліднення. Експозиційне середовище замінювали щодня, а зразки збирали на стадії п’ять-шість сомітів до 96 годин після запліднення.

Вчені розробили серію трансгенних ліній рибок: sox10:EGFP, sox10:EGFP-CAAX і sox10:Dendra2, які візуалізують клітини нервового гребеня. У цих лініях флуоресценція розмежовує клітини краніального нервового гребеня, які мігрують із нервової трубки стереотипним шляхом, утворюючи першу глоткову дугу, та диференціюються в черепно-лицьові хрящі, такі як гратчаста пластинка (піднебіння риби), верхня частина глоткової дуги та нижньої щелепи. Вони вводили трансгенним ембріонам тератогени.

“Ми маніпулювали геномом ембріонів рибок даніо-реріо і зробили кісткоутворювальні клітини флуоресцентно видимими в зеленому кольорі. Потім ми обробляли їх хімічними речовинами, які, як відомо, спричиняють дефекти обличчя у новонароджених людей, і відстежували траєкторії кісткоутворювальних клітин на ембріональних стадіях”, – пояснили вчені.

Загалом протестували п’ять хімічних речовин: вальпроєву кислоту (використовується для лікування неврологічних і психічних розладів), варфарин (антикоагулянт), саліцилову кислоту (застосовується для лікування шкірних захворювань), кофеїн і метотрексат (використовується в хіміотерапії). Як і очікувалося, усі протестовані хімічні речовини спричинили різні ступені черепно-лицьових аномалій через 96 годин після запліднення. Однак учених здивував сам механізм дії та короткі терміни.

Черепно-лицьові аномалії, виявлені в оброблених тератогеном ембріонів через 96 годин після запліднення / © Toxicological Sciences

“Клітини, що утворюють кістки і хрящі в голові, звані краніальними клітинами нервового гребеня, зазвичай переміщаються на велику відстань від місця, де вони вперше сформувалися в задній частині шиї, до місць призначення, таких як щелепа або ніс. Ми були здивовані тим, що незалежно від того, як кожна хімічна речовина діє на клітини на молекулярному рівні, порушення міграції кісткоутворювальних клітин на ранньому етапі розвитку було відповідальним за виникнення вад розвитку обличчя для всіх п’яти хімічних речовин. Ми змогли побачити ознаки цього всього за 24 години, коли ембріони риб і ссавців мають дуже схожі морфологічні та молекулярні характеристики”, – зазначили фахівці.

За їхніми словами, результати роботи вказують на потенційне існування спільного механізму, за допомогою якого тератогенні хімічні речовини обмежують рух клітин нервового гребеня на ранніх стадіях розвитку ембріонів, викликаючи розвиток лицьових відмінностей. Передбачається, що відмінності, викликані іншими речовинами, можуть відбуватися за тим самим механізмом.

Вчені прагнутимуть розкрити молекулярний механізм, що лежить в основі порушення міграції клітин, щоб зрозуміти, чому різні хімічні речовини призводять до загальних дефектів міграції клітин. Вони також запропонували рибок даніо-реріо як модельну тварину, на якій можна виявляти, наскільки та чи інша речовина небезпечна як міжвидовий тератоген. Це спростить і батькам, і практикуючим лікарям розуміння небезпеки, що виходить від тих чи інших сполук.