Proces nastanka novega organizma, ki se začne s spojitvijo celic, je eden najosnovnejših in najkompleksnejših pojavov v biologiji. Ta proces, ki ga imenujemo oploditev, vodi do nastanka zigote, prve celice novega organizma. Nadaljnje delitve in diferenciacija celic nato oblikujejo zarodek, ki se postopoma razvija v popolnoma novo bitje. Razumevanje tega procesa, od najzgodnejših faz celične delitve do kompleksnega razvoja organov, je ključno za razumevanje življenja samega.
Celična delitev: Temelj življenja
Celična delitev je temeljni proces, s katerim se celice množijo in tako omogočajo rast, razvoj in razmnoževanje organizmov. Ta proces se nekoliko razlikuje pri obeh glavnih tipih celic, prokariontskih in evkariontskih.
Pri prokariontih, enostavnih celicah brez jedra, kot so bakterije, poteka celična delitev v obliki binarne fisije. Ta proces je relativno preprost: najprej se podvoji genski material, nato se kopiji DNK pritrdita na različni mesti celične membrane. Nazadnje se preostanek citoplazme razdeli v procesu citokineze, kar povzroči nastanek dveh enakih hčerinskih celic. Ta metoda je učinkovita in hitra, kar omogoča hitro razmnoževanje prokariontskih organizmov.
Pri evkariontih, celicah z jedrom in drugimi organeli, je celična delitev bistveno bolj kompleksna. Zaradi zapletenejše zgradbe teh celic obstajata dva glavna načina celične delitve: mitoza in mejoza. Mitoza je proces, pri katerem se celica deli na dve genetsko identični hčerinski celici, kar je ključno za rast in obnovo tkiv pri večceličnih organizmih ter za razmnoževanje enoceličnih evkariontov. Mejoza pa je poseben tip celične delitve, ki poteka pri spolnem razmnoževanju in vodi do nastanka gamet (seksualnih celic), ki imajo polovico genskega materiala matične celice.
Za prokarionte in enocelične evkarionte je celična delitev primarni način razmnoževanja. Z vsako delitvijo iz matične celice nastaneta dva nova, samostojna organizma. Pri organizmih, ki se razmnožujejo spolno, pa nastane nov organizem z združitvijo dveh gamet (moške in ženske spolne celice) v zigoto. Ta združitev prinaša novo kombinacijo genetskih informacij, kar zagotavlja genetsko raznolikost znotraj populacije.
Od spočetja do zigote: Prvi koraki novega življenja
Proces nastanka novega življenja se začne z združitvijo moške in ženske spolne celice. Pri ljudeh traja nosečnost približno 266 dni ali 38 tednov od spočetja, kar je približno 280 do 282 dni (40 tednov) od prvega dne zadnje menstruacije. Pomembno je vedeti, da se le približno 5 do 6 % porodov zgodi točno na izračunan datum poroda, zato se porod običajno pričakuje od dopolnjenega 37. do 42. tedna nosečnosti.
V prvih dveh tednih po zadnji menstruaciji ženska še ni noseča. Do spočetja običajno pride približno dva tedna po pričetku menstruacije, natančneje med ovulacijo, ki se pri ženskah z 28-dnevnim ciklusom zgodi 13. do 15. dan. V tem času se iz jajčnika sprosti jajčece. Če je v bližini spermij, lahko pride do oploditve.
V 3. in 4. tednu nosečnosti se v jajcevodu združita spermij in jajčece, kar vodi do nastanka zigote, prve celice novega organizma. Če se je oplodilo več jajčec ali če se je oplojeno jajčece razdelilo na dva ali več delov, lahko pride do večplodne nosečnosti (dvojčkov, trojčkov itd.). Ta zgodnja zigota se nato začne deliti in potuje proti maternici.
Po približno petih do sedmih dneh po oploditvi se blastula (zgodnja zarodna stopnja, sestavljena iz številnih celic) ugnezdi na maternični sluznici. V tem času se vzpostavijo popkovne povezave med zarodkom in materjo, ki bodo omogočale izmenjavo hranil in kisika ter odstranjevanje odpadnih snovi. V laboratoriju lahko opazujemo število celic v zgodnjem zarodku. Tretji dan po oploditvi ima zarodek običajno 6 do 8 celic, po petem dnevu pa jih ima že več kot 100 in takrat ga imenujemo blastocista. Vendar se delitev celic lahko zgodi tudi nepravilno; kar polovica zarodkov se v prvih dneh razvoja preneha deliti in nikoli ne doseže stadija blastociste.
Razvoj zarodka po tednih: Od majhne celice do prepoznavne oblike
Obdobje od spočetja do konca osmega tedna razvoja v maternici imenujemo zarodek ali embrij. V tem času poteka organogeneza, proces nastajanja organov. Po osmem tednu, ko so posamezni organi že bolj izoblikovani, govorimo o plodu. Vsaka jajčna celica je obdana z ovojnico. Po oploditvi se jajčna celica znotraj ovojnice začne deliti in tako nastane zarodek. Ob normalnem nadaljnjem razvoju se število celic v zarodku vsak dan poveča.
5. in 6. teden: V tem zgodnjem obdobju pride do hitrega porasta hormona HCG (humanega horionskega gonadotropina), zato je test nosečnosti po izostali menstruaciji običajno že pozitiven. Pričenja se intenziven razvoj tkiv in organov, zato sta v obdobju prihodnjih nekaj tednov ključna zdrav življenjski slog nosečnice ter izogibanje različnim škodljivim vplivom, kot so sevanje, nekatera zdravila in okužbe. Na vaginalnem ultrazvoku se v večini primerov v maternici že lahko vidi gestacijska vrečka in tudi plod. Plod v 6. tednu meri 4-6 mm (razdalja teme - trtica), pri vitalnem plodu pa so že vidni utripi srca. Hrbtenični kanal se zaraste, razvijati se pričneta notranje uho in grlo. Posteljica do 12. tedna še ne bo v celoti prevzela svoje vloge. V tem obdobju kemijske spojine, ki jih proizvaja zarodek, zaustavijo menstrualni cikel nosečnice. Začne se razvijati živčevje; v 6. tednu je opazna aktivnost električnih valov v predelu možganov. Hkrati začne biti srce, pojavijo se zametki okončin.
7. in 8. teden: Razvijajo se možgani in obraz zarodka, nastanejo dlani in prsti na rokah in nogah. Plod v 7. tednu meri od temena do trtice 7-9 mm. V 8. tednu se prične premikati, čeprav njegovih gibov še ne morete zaznati. Razvije se nosna kost. Spolne žleze se usmerjajo v razvoj jajčnikov ali testisov. Zaznavna je zarodkova krvna skupina. Razvoj mišičja in živčevja je že na tej stopnji, da se zarodek lahko giblje. Začnejo se razvijati oči. Organogeneza in rast se nadaljujeta. Ob koncu 8. tedna je organogeneza večinoma zaključena. V Sloveniji in večini držav so raziskave s človeškimi zarodki dovoljene do vključno 14. dneva razvoja, saj se do takrat še ne govori o individuumu, ker še primitivna proga v osrednjem živčevju ni oblikovana.
9. in 10. teden: V 9. tednu plod meri približno 1,5 do 2 cm in tehta 3 grame. V 10. tednu srce bije s približno 160 utripi na minuto. Večinoma so že izoblikovani sklepi okončin, plodov "rep" izgine. Plod meri približno 3 cm in tehta 4-5 gramov.
11. in 12. teden: Glava zavzema polovico velikosti ploda. Razvijejo se očesne veke in zametki zob. Formirajo se jetra in zunanje genitalije, nastanejo nohti. Plod meri v dolžino 4-5 cm. Od 11. tedna dalje je možno opraviti ultrazvočno merjenje nuhalne svetline in biopsijo horionskih resic. Nastanek organov je v 12. tednu v največji meri zaključen. Prebavila so v 12. tednu že v trebušni votlini. Posteljica plod že lahko oskrbuje s hrano in kisikom.
13. in 14. teden: Na prstih se pričnejo razvijati prstni odtisi. Razvile so se zasnove za vseh 20 mlečnih zob. Trebušna slinavka pričenja izločati inzulin. Na ultrazvočnem pregledu je že mogoče določiti spol otroka! Plod v 13. tednu meri približno 7 cm in tehta približno 20 gramov. Opazni so dihalni gibi, plod požira plodovnico in izloča urin. Koža je poraščena z mehkimi lanugo dlačicami.
15. in 16. teden: V 15. tednu plod meri približno 10 cm in tehta približno 70 g. Lahko že sesa svoj palec. Kosti skeleta se krepijo, razvoj mišic se nadaljuje. Oči so zaprte, vendar postanejo dovzetne za svetlobo, razvija se sluh. Od 16. tedna dalje je možna amniocenteza. Gibi okončin so vse bolj usklajeni.
17. in 18. teden: Plod je v obdobju hitre rasti, glava in telo sta v bolj proporcionalnih razmerjih, pod kožo se tvori maščevje, ki mu bo po rojstvu pomagalo zadrževati toploto. Zmožen je obrazne mimike. Sliši zunanje in notranje zvoke. Od glave do trtice meri 14 cm, skupno pa do 20 cm v dolžino, tehta do 190 g. Pri deklici so razvita rodila, pri dečku se pričenja razvoj prostate in spuščanje testisov iz medenice v mošnjo.
19. in 20. teden: Možgani se intenzivno razvijajo, intenzivna rast ploda se nadaljuje. Tudi nosečnice, ki so prvič noseče, bodo morda že lahko prvič občutile gibe ploda. V tem času se običajno opravi morfološki ultrazvočni pregled ploda ter določi lego posteljice. V 20. tednu plod meri približno 25 cm v dolžino in tehta približno 300 g. Na koži se pojavi verniks - bela mastna zaščitna snov. V črevesju se formira prvo blato - mekonij. Delovati prične plodov lasten imunski sistem. Razvite so oči.
21. in 22. teden: V tem obdobju postane plod že sposoben preživetja v primeru prezgodnjega rojstva. V dolžino meri približno 30 cm in tehta okrog 500 g. Razvija se živčevje.
23. in 24. teden: Proti koncu drugega trimesečja se večina plodov ustali v določenem položaju. V 23. tednu je plod težak približno 700 g. Koža počasi izgublja svojo zgubanost, nadaljuje se rast las, izboljšujejo se refleksi in nadaljuje razvoj čutil. Plodove kosti pridobivajo gostoto in trdoto.
25. in 26. teden: Plod doseže težo 1000 g in dolžino 35-40 cm.
27. in 28. teden: Plod tehta okrog 1200 g. Gibi otroka se lahko v tem času spremenijo in postanejo manj intenzivni (ne pa manj pogosti!), saj ima plod zaradi rasti manj prostora za gibanje.
29. in 30. teden: Plod intenzivno pridobiva težo, koža postaja bolj napeta in rožnata. V 32. tednu tehta približno 1700 g. Zenice že lahko reagirajo na svetlobo. Pljuča so še edini življenjsko pomemben organ, ki še ni dovolj razvit.
31. in 32. teden: Plod zdaj tehta že okrog 2000 g in meri več kot 40 cm v dolžino. Še vedno je v obdobju hitrega pridobivanja teže, zaradi razvoja možganov pa raste tudi glava. Pljuča zdaj že izločajo surfaktant, se pa še vedno razvijajo. Količina plodovnice je v tem času največja in taka ostane do poroda.
33. in 34. teden: Če bi se v tem obdobju porod pričel, ga ne bi skušali ustaviti, saj je večina plodov že dovolj zrela za življenje zunaj maternice. Plod meri v dolžino približno 45 cm in tehta od 2300 do 2700 g.
35. in 36. teden: Plod je že dovolj razvit in zrel za življenje po rojstvu. Tehta okrog 3000 g in meri v dolžino skoraj 50 cm. Plod vadi dihalne gibe in požira plodovnico, ki je v tem obdobju že lahko »mlečno« obarvana zaradi odluščenega vermiksa.
37. in 38. teden: Plod še vedno pridobiva 25-30 g teže dnevno. Tehta približno 3300 g in meri v dolžino približno 50 cm. Večina plodov je v tem času že v svojem porodnem položaju. Pomembno je biti pozoren na plodove gibe, saj lahko spremembe v njihovi intenzivnosti ali pogostosti nakazujejo na težave.
Embriologija: od oploditve do gastrulacije, animacija
Napredne tehnike v raziskavah razvoja: iPS celice in kloniranje
Razumevanje zgodnjega razvoja človeka je ključnega pomena za medicino, zlasti na področju zdravljenja genetskih in degenerativnih bolezni. V zadnjih letih so znanstveniki razvili napredne tehnike, ki omogočajo raziskovanje razvoja celic in tkiv zunaj telesa, kar odpira nova obzorja za terapevtske posege.
Ena takih naprednih tehnologij je uporaba induciranih pluripotentnih matičnih celic (iPS celic). Odrasle, diferencirane celice, kot so na primer kožne celice (fibroblasti), lahko z uporabo majhnega števila določenih transkripcijskih faktorjev reprogramiramo in jih tako spremenimo v iPS celice. Te celice so v marsičem podobne embrionalnim matičnim celicam (ES celic), ki jih pridobivajo iz zgodnjih zarodkov. Z iPS celicami bi bilo možno zdraviti različne degenerativne in genetske bolezni ter nadomeščati poškodovana tkiva, pri čemer ne bi prišlo do etično sporne uporabe embrionalnih celic.
Kljub temu se je pojavilo vprašanje o njihovi pluripotentnosti, ki je ključna značilnost matičnih celic. ES celice so se izkazale kot bolj učinkovite pri kloniranju. Vendar pa so nadaljnje raziskave poročale o uspehih kloniranja živih miši iz reprogramiranih fibroblastov, kar kaže na to, da so lahko vse značilnosti stopnje pluripotentnosti nadomeščene brez izpostavljanja neznanim dejavnikom.
V raziskavah so znanstveniki uporabili različne pristope za genetske izboljšave in pridobivanje celičnih linij. V enem primeru so načrtovali genetsko oznako za razlikovanje izvora celic iz blastociste ali iPS celic. Nepravilno izražanje reprogramirajočih genov skozi razvoj bi lahko inhibiralo embionalni in poporodni razvoj, zato so se odločili za tesno kontrolo transgenske ekspresije v iPS celicah. Štiri "Yamanaka" faktorje (Oct4, Klf4, Sox2 in Myc-c) so prenesli v celice preko retrovirusa ter jih postavili pod okrilje tetO promotorja, ki se inducira v prisotnosti antibiotika tetraciklina ali njegovih derivatov (npr. doksiciklina).
Ker univerzalnega testa za ugotavljanje pluripotetnosti še ni, so izvedli vrsto testiranj za izbiro celičnih linij, primernih za test tetraploidne komplementacije. Izbrali so celične linije, ki so se po morfologiji, ekspresiji markerjev za pluripotentnost (Sox2, Oct4) in sposobnosti tvorbe mišjih vohalnih nevronov ujemale z embrionalnimi celicami. Nato so izvedli celične in genetske analize, vključno s Southern blot analizo in kvantitativno PCR z reverzno transkripcijo (qRT-PCR), da bi potrdili genetski zapis in njegovo ekspresijo.
V drugem primeru so mišje embrionalne fibroblaste, ki izražajo Oct4 z GFP, okužili z "Yamanaka" faktorji. Druga modifikacija je vključevala zamenjavo seruma, v katerem se celice gojijo, s fetalnim govejim serumom. Po 10 dneh so na gojiščih zaznali večjo količino alkalne fosfataze, ki se pojavlja v membrani pluripotentih celic in služi kot test pluripotencije. Test z bisulfidnim sekvenciranjem je v treh pridobljenih celičnih linijah pokazal podoben metilacijski vzorec kot kontrolna skupina embrionalnih celic, kar kaže na potek epigenetskega reprogramiranja.
Pluripotentnost teh linij so dokazali tudi z vnosom v miši s hudo kombinirano imunsko pomanjkljivostjo, pri katerih se je razvil teratom z vsemi tremi zarodnimi plastmi. Rezultati so pokazali, da nekatere celične linije razvijejo žive miši z visoko stopnjo himernosti, medtem ko druge niso bile enako uspešne pri kloniranju miši s tetraploidno komplementacijo.
Test tetraploidne komplementacije velja za najstrožji test dokazovanja pluripotentnosti. Z uporabo električnega toka poteče fuzija dveh zarodkov v 2-celičnem stadiju, kar ustvari tetraploidno blastocisto, iz katere se lahko diferencirajo izvenembrionalna tkiva, ne more pa se razviti zarodek. Če se v takšno blastocisto vnesejo iPS celice, ki so popolnoma pluripotentne, se lahko iz njih razvije celoten zarodek.
Kloniranje miši s tetraploidno komplementacijo sicer ni bilo enako uspešno pri vseh celičnih linijah. Vendar pa so uspešno pomnožene miši s tem testom dokazali, da je z direktnim reprogramiranjem s 4 faktorji mogoče ustvariti iPS celice, ki so funkcionalno primerljive z embrionalnimi celicami. Še vedno pa ni povsem jasno, kaj povzroča razlike v pluripotentnosti med iPS celičnimi linijami, raziskovalci pa domnevajo, da so za to odgovorne specifične značilnosti reprogramiranih celičnih linij.