Никотин вызывает повсеместное неблагоприятное воздействие на эмбриональное развитие человека на уровне отдельных клеток, сообщают исследователи 28 февраля в журнале Stem Cell Reports. Секвенирование одноклеточной РНК эмбриональных телец, полученных из эмбриональных стволовых клеток человека (hESC), показало, что 3-недельное воздействие никотина нарушает межклеточную коммуникацию, снижает выживаемость клеток и изменяет экспрессию генов, которые регулируют критические функции, такие как сердечная мышца. -клеточные сокращения.
Авторы говорят, что эта модель стволовых клеток предлагает новое понимание воздействия никотина на отдельные органы и клетки развивающегося плода и может использоваться для оптимизации скрининга токсичности лекарств и окружающей среды.
"Эти результаты особенно важны, поскольку они обеспечивают научную основу для обучения общественности, особенно молодых женщин, воздерживаться от курения, когда они беременны или рассматривают возможность создания семьи," говорит старший автор Джозеф С. Ву из Медицинского факультета Стэнфордского университета. "Никотин, содержащийся в таких продуктах, как табак, электронные сигареты и никотиновые жевательные резинки, может оказывать широкомасштабное вредное воздействие на различные органы развивающегося эмбриона во время беременности."
Курение матери во время беременности является установленным фактором риска врожденных дефектов, таких как выкидыш, ограничение роста и преждевременные роды. Он тесно связан с долгосрочными неблагоприятными нейроповеденческими, сердечно-сосудистыми, респираторными, эндокринными и метаболическими исходами у потомства. Никотин, основной химический компонент табакокурения, в первую очередь ответственен за повышенный риск. К сожалению, появление и распространение новых табачных изделий, содержащих никотин, таких как электронные сигареты, сводит на нет недавний прогресс в сокращении употребления табака.
Большое количество исследований выявило отрицательные эффекты никотина у животных, в основном на моделях грызунов. Исследования на животных показали, что воздействие никотина во время беременности пагубно влияет на развитие плода. Но из-за межвидовых различий остается под вопросом, можно ли перенести это исследование на людей. В то время как другие исследования изучали токсичность никотина с использованием человеческих клеток с помощью анализа массового секвенирования РНК, эти традиционные исследования не позволяли исследователям исследовать эффекты на уровне отдельных клеток. В результате влияние никотина на эмбриональное развитие человека и лежащие в его основе молекулярные механизмы остаются плохо изученными.
Чтобы устранить эти ограничения, Ву и его сотрудники использовали секвенирование одноклеточной РНК для анализа влияния 21-дневного воздействия никотина на транскриптомы в общей сложности 12500 клеток, полученных из эмбриоидных тел, полученных из hESC, которые представляют собой трехмерные агрегаты различных типы плюрипотентных клеток, которые дают начало головному мозгу, сердцу, печени, кровеносным сосудам, мышцам и другим органам. Они обнаружили, что выживаемость клеток снизилась, что позволяет предположить, что никотин может влиять на развитие эмбриона уже на доимплантационной стадии.
Воздействие никотина также уменьшило размер эмбриоидных тел, увеличило уровень повреждающих молекул, называемых активными формами кислорода, и привело к аберрантному образованию и дифференцировке эмбриоидных тел. Более того, воздействие никотина изменяет клеточный цикл в широком диапазоне клеток-предшественников, дифференцированных от чЭСК, и вызывает нарушение регуляции межклеточной коммуникации, что является еще одним побочным эффектом, который не был хорошо изучен.
"Это важно, потому что мы знаем, что курение и никотин, как было показано, увеличивают патологический риск в эндокринной, репродуктивной, респираторной, сердечно-сосудистой и неврологической системах, которые зависят от сложных и динамических взаимодействий между множеством типов клеток для гомеостаза и функционирования," Ву говорит.
Исследователи также обнаружили, что воздействие никотина приводит к изменению экспрессии генов, участвующих в токсичности металлов и митохондриальной функции, пороках развития мозга и умственной отсталости, развитии и заболеваниях мышц, заболеваниях легких и аритмиях, связанных с Са2 +, которые влияют на сократимость клеток сердечной мышцы.
"Основным следствием нашего исследования является то, что теперь мы проверили новый метод оценки воздействия лекарств и токсичности окружающей среды на эмбриональное развитие человека," Ву говорит. "Но одним из основных ограничений является то, что мы не можем воспроизвести физиологию всего тела беременной женщины, используя дифференцировку чЭСК в эмбриоидные тела. Например, в этой модели не учитывается влияние физических упражнений, стресса, еды или гормональных изменений."
В будущем исследователи планируют продолжить изучение механизмов никотин-индуцированных врожденных дефектов плода. "Мы надеемся, что это приведет к открытию новых биомаркеров, которые помогут врачам лучше предотвращать, диагностировать и лечить эти заболевания," Ву говорит. "Кроме того, мы планируем использовать нашу модель эмбриоидного тела, полученную из чЭСК, и технологию одноклеточного секвенирования для исследования более широкого воздействия других вредных условий, таких как загрязнение воздуха, на эмбриональное развитие человека."