Используя новые технологии, исследователи по всей стране работают над изучением особенностей развития и функционирования плаценты в надежде понять причины выкидышей.

Прерывание стельности остается одной из самых разочаровывающих и дорогостоящих проблем в молочном животноводстве. Несмотря на достижения в области ведения репродуктивного цикла, мы по-прежнему сталкиваемся с проблемами неосемененных коров, ранней гибели эмбрионов и необъяснимых абортов. Репродуктивная эффективность является одним из основных факторов, определяющих прибыльность молочного животноводства, однако многие причины раннего прерывания стельности остаются загадкой.

Для успешной репродукции необходимо выполнение многих условий, в том числе формирование плаценты. Легко думать о плаценте как о чем-то, что просто возникает во время стельности, но на самом деле это биологически сложный и чрезвычайно важный орган. У крупного рогатого скота плацента отвечает за выработку гормонов, обмен питательными веществами, иммунную толерантность и поддержку плода. И что наиболее важно, при сбоях стельности плацента часто может быть в центре проблемы.

Новые технологии для улучшения исследований

Традиционно мы рассматривали плаценту с точки зрения структуры и анатомии. Но что, если бы мы могли глубже погрузиться в слои микроскопического уровня и выявить клеточные и генетические ошибки, которые нарушают стельность, до того как произойдет выкидыш?

Именно это мы и пытаемся сделать в рамках совместного проекта Университета Миссури, Университета Висконсина — Мэдисона и Университета штата Вашингтон, используя передовые генетические инструменты для изучения того, как формируется, функционирует и иногда выходит из строя плацента у крупного рогатого скота. В частности, мы используем одноклеточные omics-технологии, которые позволяют нам подробно составить карту того, как отдельные клетки ведут себя во время нормального развития плаценты и как незначительные нарушения могут объяснить сбои стельности. Хотя эти технологии только появляются, то, что мы из них узнаем, может определить будущее управления фертильностью.

В прошлом образцы тканей смешивались, что давало нам среднюю картину экспрессии генов. На самом деле беременность зависит от конкретных клеток, которые выполняют определенные функции в определенное время. Именно здесь на помощь приходят технологии одноклеточной -омики. Вместо того чтобы измельчать образец ткани и получать общее представление об экспрессии генов, эти методы позволяют нам изолировать отдельные клетки и анализировать, что происходит внутри каждой из них. Это похоже на переход от размытого спутникового изображения к виду на уровне улицы.

Мы применили эту технологию как к зрелым плацентам (170 и 195 дней), так и к развивающимся плацентам (17, 24, 30, 40 и 50 дней). Это дало нам подробную хронологию (рисунок 1) того, как клетки плаценты растут, изменяются и специализируются в течение наиболее критических периодов стельности. Мы идентифицировали несколько популяций одноядерных трофобластных клеток (UNC) и двуядерных трофобластных клеток (BNC) в плаценте по профилям экспрессии генов  (рисунок 2). На данный момент мы опубликовали три рецензируемых научных статьи по результатам и готовим еще несколько.

Основные выводы из этих исследовательских проектов были следующими:

1. Трофобластные клетки, основной тип клеток плаценты, существуют в различных формах и выполняют разнообразные функции. Мы составили карту того, как эти клетки растут и изменяются с течением времени в здоровых плацентах и какие гены участвуют в этом процессе.
2. Транскрипционные факторы, или генетические «выключатели», включают или выключают гены в определенные моменты при формировании плаценты. Они используют «открытость» ДНК в регуляторных областях и помогают определять, какие гены используются и когда.
3. Существует узкий промежуток времени, когда экспрессия генов должна быть точно регулируемой. Незначительные нарушения в этот период могут привести к срыву стельности.

Затем мы пошли еще дальше и сравнили данные о плаценте коров с образцами овец и людей. Несмотря на значительные различия в размере и форме, мы обнаружили поразительное сходство в том, как развиваются плацентарные клетки у разных видов. Это означает, что в некоторых случаях мы можем заимствовать идеи из биомедицинских исследований и применять их в животноводстве, и наоборот. В целом, хотя это исследование звучит технически, его результаты будут иметь практическое значение. Понимая, как формируется и функционирует плацента на молекулярном уровне, мы можем начать выяснять, что происходит при осложненной беременности, и разрабатывать инструменты для выявления или даже предотвращения этих проблем.

Что ждет нас впереди

Мы только начинаем изучать эту тему. Наши следующие шаги включают сравнение здоровых и аномальных образцов плаценты, особенно от коров, у которых наблюдается поздний выкидыш. Основываясь на наших подробных картах клеток и регуляторных сетях, мы надеемся выявить ранние признаки осложненной стельности и в конечном итоге помочь их предотвратить.

В настоящее время, если корова потеряла стельность, мы часто не знаем, почему. По анализу крови и УЗИ можно определить, является ли она стельной, но не обязательно, будет ли она успешной.

Эта работа помогает создать биологическую путевую карту, которая может привести к:

1. Улучшению диагностики: если мы знаем, какие гены обычно активны во время здоровой стельности, мы можем разработать более эффективные инструменты для выявления отклонений. Это может означать более раннее вмешательство в случае неудачной стельности или даже отказ от разведения коров с высоким риском потери плода.
2. Новым направленным методам лечения: если мы знаем, какие части генной цепи не функционируют, можно разработать направленные гормональные или питательные стратегии для поддержки лучшего развития плаценты.
3. Улучшенный генетический отбор: признаки фертильности, такие как показатель стельности дочерей, являются умеренно наследственными. Идентифицированные нами гены могут служить маркерами для отбора коров, которые с большей вероятностью будут поддерживать успешную стельность.

Взгляд в будущее

Потеря плода, возможно, никогда не будет предотвратима на 100 %, но понимание биологических механизмов, лежащих в ее основе, является первым шагом к более эффективному контролю над этим явлением. Плацента — это не просто пассивная система поддержки, а активный, строго регулируемый орган, который может помочь или помешать стельности. Чем лучше мы понимаем, как она работает, тем лучше мы можем ухаживать за нашими коровами и принимать более разумные решения в области разведения. Технологии, основанные на изучении отдельных клеток, помогают нам раскрыть тайны стельности, и хотя сегодня они в основном используются в научных исследованиях, они закладывают основу для репродуктивных решений. Наша цель — не создание лабораторных инструментов ради науки. Наша цель — заложить основу для реальных применений на фермах, включая способы снижения репродуктивных потерь, улучшения генетических решений и помощи производителям в поддержании большего числа стельных коров. Если вы — производитель, который когда-либо ломал голову над неудачной стельностью, знайте, что такие исследователи, как мы, усердно работают над решением этой проблемы. Решение может прийти от одной единственной клетки.