Зигота, гамети, пъпна връв и плацента
Дотук изучавахме клетката и вече изградените от нея тъкани — статична, макар и функционално разнообразна картина. Общата ембриология обръща въпроса в обратна посока: как изобщо от една-единствена клетка, зиготата, се ражда цял организъм с всички тъкани, които разгледахме дотук? Тази дисциплина изучава развитието на организмите от най-ранните им стадии до раждането — процесите на оплождане, имплантация на ембриона в матката, развитие на органите и системите на бъдещия организъм, както и факторите, които могат да повлияят върху тях. Толкова важни въпроси може би заслужават да са в началото на обсъждането.
Гаметите: последната стъпка на диференциация в две противоположни посоки
Гаметите, половите клетки на организма, представляват крайния стадий на диференциация на зародишните клетки. Женските гамети се наричат яйцеклетки, а мъжките — сперматозоиди. Интересно е да се отбележи, че макар и двете да произхождат от общ ембрионален предшественик — примордиалните зародишни клетки — крайният им морфологичен резултат е почти диаметрално противоположен: сперматозоидът е дребна, силно подвижна клетка, оптимизирана за скорост и ефективност на транспорта, докато яйцеклетката е обемна, неподвижна клетка, оптимизирана за съхранение на хранителни резерви и молекулярен „инструментариум“ за първите деления след оплождането.
Сперматозоидът е мъжка, силно диференцирана репродуктивна клетка, чиято задача е да транспортира ДНК до яйцеклетката. Дължината му е около 60 микрометра. Всяка клетка притежава глава (5 микрометра), увенчана от акрозома, среден участък, съдържащ митохондрии (5 микрометра), главна част (50 микрометра) и терминална част (5 микрометра). В акрозомата се съдържат хидролитични ензими — хиалуронидаза, невраминидаза, кисела фосфатаза и протеаза. Те лизират zona pellucida на яйцеклетката (акрозомна реакция), след което главата на един от сперматозоидите преминава в яйцеклетката през образувания проход. Заслужава да се отбележи концентрацията на самите гамети — сперматозоидът инвестира минимално цитоплазмено съдържание, но максимизира плътността на митохондриите около аксонемата на опашката си, отразявайки единствената му непосредствена задача: активно движение на далечно разстояние спрямо клетъчния му размер.
Яйцеклетката е едра, женска, силно диференцирана репродуктивна клетка. Появява се между втория и петия ембрионален месец. През третия месец част от овогониите навлизат в профазата на първото мейотично делене. По-голямата част от тях дегенерират. Към края на ембрионалния период оцелелите ооцити биват обградени от гранулозни клетки и формират фоликули. След пубертета тези примордиални фоликули нарастват и преминават през няколко стадия, докато достигнат зрялост.
В примордиалните зародишни клетки всички органели са разположени около ядрото и формират плътен кръг, наречен corpusculum Balbiani — телце на Балбиани, съдържащо голджиеви везикули и обкръжаващите ги митохондрии. Зрялата яйцеклетка има сферична форма и диаметър около 150 микрометра. С узряването на овоцита органелите се разпръскват в цитозола. Ооцитът е обвит от zona pellucida, изградена основно от четири гликопротеина. Около zona pellucida се разполага theca folliculi (interna и externa). Яйцеклетката се намира в малко възвишение от гранулозни клетки, наречено cumulus oophorus. Вътрешността на фоликула е заета от кухина, изпълнена с течност, liquor folliculi, натрупваща се не само в кухината, но и между гранулозните клетки. В зрелите фоликули налягането на течността разкъсва възвишението, яйцеклетката се отделя от него и свободно плава в течността. Стената на фоликула се разкъсва, изстрелва яйцеклетката във маточната тръба, обградена от гранулозни клетки, формиращи нейната corona radiata — процес, наречен овулация, настъпващ в средата на менструалния цикъл (около 14-ия ден от 28-дневния цикъл).
Зиготата: първата и най-важна клетка на човешкото тяло
Зиготата е първата, най-важна клетка на човешкото тяло. Формира се при оплождането, а в най-ранните стадии на развитието съдържа две ядра — едно от бащата (сперматозоида) и едно от майката (яйцеклетката). Тези две ядра се сливат, образувайки единствено ново ядро, съдържащо комбинирания генетичен материал на двата родителски организма. Оттам започва серия от деления, водещи до образуването на морфологично различни клетки.
Зиготата преминава спираловидно движение към радиален (бластомерите се подреждат в радиална равнина около полярната ос) и неопределен тип (съдбата на всеки бластомер не е предварително определена) и неравномерно делене, контролирано основно от центриолата. Този тип делене се нарича ротационно холобластично делене. Човешката зигота е сравнително едра клетка, с диаметър между 0,1 и 0,2 мм. Има сферична или овална форма и съдържа многобройни митохондрии и други цитоплазмени структури. Зиготата е обвита в дебела, прозрачна мембрана, блестяща зона, която я капсулира през първите 24 часа, а впоследствие подпомага прикрепването ѝ към стената на матката.
Пъпната връв: временният мост между два организма
Пъпната връв (funiculus umbilicalis) се развива след третата гестационна седмица. Тя свързва ембриона с плацентата и съдържа остатъци от жълтъчното мехурче и алантоиса заедно с техните съдове, замествайки жълтъчното мехурче като източник на хранителни вещества за ембриона. Не е директно свързана с кръвоносната система на майката, а вместо това се свързва с плацентата, която прехвърля материали от и към кръвта на майката, без да позволява директно смесване. Дължината на пъпната връв е приблизително равна на дължината на плода през цялата бременност. При доносен новороден е обичайно около 50 сантиметра дълга и около 2 сантиметра в диаметър. Връвта съдържа две пъпни артерии (aa. umbilicales) и една пъпна вена (v. umbilicalis), фиброзна съединителна тъкан, обвита от амниона. Пъпната вена пренася наситена с кислород кръв, а пъпните артерии — обеднена на кислород кръв. Това е необичайно за вена и артерии (единствените други примери са белодробните вени и артериите, свързващи белите дробове със сърцето) — обяснението се крие в самата дефиниция на „вена“ и „артерия“ по посока на кръвотока спрямо сърцето, а не по съдържанието на кислород: пъпната вена носи кръв към плодовото сърце, докато пъпните артерии я отвеждат от него.
Плацентата: временен, но незаменим орган
Плацентата е нов орган (развива се единствено заедно с плода през 9-те месеца на бременността), временен, междинен орган, осъществяващ връзката между майката и плода. Към края на бременността плацентата наподобява голяма кухa пита, със среден диаметър около 20 сантиметра, дебелина от 2 до 3 сантиметра и маса от около 600 грама. В средата на диска влиза пъпната връв, свързваща я с плода. С помощта на въсите си плацентата се фиксира в маточната кухина. Общата повърхностна площ на плацентарните въси (хорионни въси) в напълно развитата (зряла) плацента достига 14 квадратни метра, осигуряваща обмен от 3,5 литра на час на 35-та гестационна седмица. Формира се около 8–12 седмица от бременността, най-често около 10-та, и съдържа майчина част, наречена decidua basalis (модифициран ендометриум), и фетална част, наречена хорион.
Трофобластът нараства в ембриона и формира израстъци, наречени първични въси. Мезенхим навлиза в тези въси и ги превръща във вторични. Обменът на кислород и хранителни вещества между майката и плода протича през четирислойна плацентарна бариера, включваща: съдов ендотел, съединителна тъкан в сърцевината на хорионните въси, цитотрофобласт и синцитиотрофобласт. След четвъртия ембрионален месец тези слоеве изтъняват, тъй като съединителната тъкан във въсите и цитотрофобластът се редуцират, и единствено клетките на хориона и синцитиотрофобластът разделят майчината от феталната кръв — прогресивно изтъняване на бариерата, отразяващо нарастващите метаболитни нужди на растящия плод в хода на бременността.
Обединяваща мисъл: една клетка, две противоположни траектории на успех
Ако разгледаме сперматозоида и яйцеклетката заедно, откриваме два коренно различни, но еднакво „успешни“ еволюционни отговора на един и същ проблем — как да пренесеш генетичен материал до следващото поколение. Сперматозоидът залага на количество и мобилност — милиони клетки, произвеждани непрекъснато, инвестирали минимален ресурс в самата клетка, но максимален ресурс в способността за придвижване. Яйцеклетката залага на качество и подготвеност — единична клетка на цикъл, инвестираща огромен ресурс в самата себе си, за да осигури достатъчно резерви и молекулярна „стартова екипировка“ за първите, критични часове след оплождането, преди ембрионалният геном изобщо да се активира. Плацентата пък представлява трето, съвсем различно решение — временен орган, изграден съвместно от майчина и фетална тъкан, който позволява на два генетично различни организма да съществуват в тясна физиологична връзка, без имунната система на майката да отхвърли плода — един от най-удивителните нерешени напълно въпроси в имунологията на бременността.
Съвременни хоризонти
Изследването на най-ранните етапи от човешкото развитие остава едно от най-етично и технически предизвикателните направления в биологията, именно защото експериментирането директно с човешки ембриони е строго регулирано и ограничено. През последните няколко години технологията на органоидите предложи елегантен заобиколен път около това ограничение. Изследователски екипи вече успяват да получат трофобластни органоиди — триизмерни клетъчни структури, отглеждани от плацентарни стволови клетки или от индуцирани плурипотентни стволови клетки, — способни да самоорганизират автентична вилозна архитектура, наподобяваща тази на плацентата през първия триместър, включително секрецията на характерни сигнални молекули. Още по-напреднали модели вече комбинират трофобластни органоиди с васкуларни клетъчни линии, за да пресъздадат зачатъци на кръвоносна система в рамките на самите въси, а технологии като „плацента върху чип“ (placenta-on-a-chip) интегрират микрофлуидни системи, способни да симулират динамичния кръвоток през майчино-феталната бариера — платформа, особено ценна за изследване на усложнения на бременността като прееклампсия, без риск за реален плод. Паралелно, отделни изследователски групи вече демонстрираха, че човешки плурипотентни стволови клетки могат да се самоорганизират в триизмерни структури, наподобяващи ранните стадии на постимплантационно ембрионално развитие — т.нар. синтетични ембрионални модели, — отваряйки принципно нови възможности за изучаване на критичния прозорец от имплантацията нататък, недостъпен досега за директно наблюдение. Тези модели остават далеч от пълноценна алтернатива на естественото развитие.
С тази статия завършваме нашата поредица за цитология и ембриология, и се надяваме пътят да е бил също толкова интересен за вас, колкото и за нас.
Въпроси:
- Кога се оформя плацентата?
- Какво е овулация?
- Какво съдържа пъпната връв?
- До кога съществува zona pellucida?