Что такое акрания плода?
Акрания – нарушение развития центральной нервной системы у плода, один из самых распространённых внутриутробных патологий развития. Характеризуется эта аномалия тем, что голова плода абсолютно не содержит костного свода. Если выразиться понятнее, то у плода отсутствует верхняя часть черепа, функция которой – закрывать мозг и защищать его от любых воздействий окружающей среды. Помимо этой несовместимой с жизнью проблемы, на голове также отсутствует кожа, что означает, что мозг не защищается ничем, кроме мозговой ткани. Сам головной мозг плода недоразвитый и выглядит как открытые сосуды, соединительные ткани и мозговая ткань, которые видны на черепе деформированного вида.
Патологии
Очень часто случаются расщепление позвоночника, а также нарушения касательно развития спинного мозга. Задняя часть головного мозга, которая выступает в виде деформации позвоночника или черепа непосредственно связанная с заболеванием под названием «нотэнцефалия». Также сильно перекошена лицевая часть черепа, так как в этом участке отсутствует огромное количество костной ткани черепа, а это в свою очередь чревато сильным выступанием глаз вперёд. Кроме всего прочего данная патология развития плода характеризуется недоразвитой шеей, из-за чего голова запрокидывается назад настолько сильно, что она буквально ложится на туловище. В общем, акрания – это болезнь, которая образовалась в результате врождённого порока мозга. Но на этом патологии не заканчиваются. Помимо всего прочего, у больного плода могут быть нарушения в области брюшной полости, смещение тканей и органов вплоть до того, что они могут и выпасть наружу (эктопия), недоразвитые надпочечники, выпадения органов брюшной полости из-за слабого развития её стенки (эвентрация) и многое другое.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Академия & Бизнес» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»
У всех увлеченных людей есть потребность в удовлетворении своего любопытства. Некоторым из нас везет — это можно делать в рабочее время за счёт денег налогоплательщиков или потребителей. На первый взгляд такой процесс с непредсказуемым результатом может показаться неэффективным расходом ресурсов. Но это не так. Технологические прорывы возникают только тогда, когда кто-то рискует, дает волю своей фантазии и начинает использовать ресурсы неожиданным образом. При этом если результат Его Величества Эксперимента известен заранее, то это уже не эксперимент, а копирование чужой идеи. Замечу, что творческую деятельность сложно выполнять по приказу. «Иванов, до 31 числа жду от тебя пять озарений», — звучит смешно, но реально. Бóльшая часть научных открытий никакой прямой пользу обществу не несет. Фундаментальная наука создает основу для прикладной; конечный результат — статья в рецензируемом научном журнале, то есть идея с зафиксированным приоритетом. Прикладная же наука скорее использует эти статьи в попытке найти им применение; конечный результат — патент, то есть защищенный от копирования вариант использования идеи. Патенты могут быть востребованы бизнесом для создания коммерчески доступных продуктов, которые удовлетворяют нужды потребителей и приумножают вложенный капитал. Получается пирамида «ворох идей → горсть применений → щепотка продуктов». Не идеально, но ничего эффективнее нет — только так идеи становятся коммерчески доступными продуктами [1]. В этой заметке рассмотрим один из успешных примеров, (слегка) изменивших мир.
Причины
Основные причины не связаны непосредственно с курением, употреблением алкоголя, наркотиков и так далее (хоть конечно это и может спровоцировать проявление акрании у плода, как и множество других проблем, касающихся центральной нервной системы), и, к сожалению, данный порок может коснуться и нормальных родителей, особенно если они проживают на территории с сильно повышенным радиационным фоном. Главными причинами заболевания являются несколько иные осложнения в здоровье родителей, в число которых входят:
- ВИЧ-инфекция и СПИД;
- Вирус краснухи у одного из родителей либо у обоих сразу;
- Вирус Коксаки;
- Вирус герпеса;
- Вирус цитомегалии.
Под удар также могут попасть и плод у женщин, которые подвергались острым токсическим влияниям, острой гипоксии (недостаток кислорода), лучевой энергии, и те, кто принимает лекарства типа хинина и гидантоина. Стоит отметить ещё то, что акрания может развится без определенных четких причин на фоне генетических мутаций.
Как неинвазивно диагностировать анеуплоидии?
В 1969 году в крови беременной женщины обнаружили клетки, содержащие Y-хромосомы [6]. В результате родов на свет появился мальчик. Таким образом, стало понятно, что клетки плода могут находиться в крови беременной женщины. Тем не менее таких клеток мало, что затрудняет разработку рутинных диагностических тестов [7]. Затем в 1997 году фетальную (от лат. fetus — плод) ДНК обнаружили в плазме крови беременных женщин [8]. Отмечу, что плазма — это жидкая бесклеточная фракция крови, в которой взвешены форменные элементы, то есть клетки крови. Таким образом, в результате такой малоинвазивной процедуры, как забор крови беременной женщины, можно исследовать ДНК плода. Тем не менее существующий на начало 2000-х годов уровень развития технологий не предполагал рутинного решения для диагностики анеуплоидий [9].
А причем тут высокопроизводительное секвенирование?
Иногда в результате творчества научных сотрудников и преобразования возникших идей в коммерчески доступный продукт мир меняется. В 2005 году произошла революция. Компания 454 Life Sciences стала продавать первый прибор для высокопроизводительного секвенирования [10]. Этот подход был основан на идее, опубликованной в 1998 году [11]. Затем в конкурентной борьбе технология-пионер проиграла другим методам [12]. Сейчас чаще всего используют секвенаторы производства компаний Illumina и Thermo Fisher Scientific [13]. Эти технологии не идеальны — исходные нуклеиновые кислоты служат матрицей для создания новых фрагментов ДНК. То есть на подготовительном этапе возможны искажения, вклад которых сложно оценить. Иначе говоря, происходит косвенное секвенирование — идентифицируют не исходные последовательности, а производные от исходных. Недавно появились способы прямого секвенирования нуклеиновых кислот — технологии компаний Oxford Nanopore [14] и Pacific Biosciences [13] позволяют секвенировать нуклеиновые кислоты без посредников.
Но всё это не важно. Мир поменялся — стало возможным одновременно секвенировать много нуклеотидных последовательностей, что на несколько порядков удешевило ряд исследований. Например, секвенирование генома человека при помощи метода, описанного в конце 1970-х годов [15], стоило несколько миллиардов долларов в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Сейчас же получение аналогичных данных обойдется в несколько сотен долларов. Неинвазивная диагностика анеуплоидий, по сути, стала возможной благодаря этой технологической революции.
Исследование фетальной ДНК из свободной от клеток фракции крови, то есть плазмы, стало доступным за счет появления методов высокопроизводительного секвенирования. Существуют разные способы выполнения такого анализа. Запатентованный компанией Natera метод вошел в широкую клиническую практику [16]. Для исследования внеклеточную ДНК выделяют из плазмы крови беременной женщины. Затем некоторые фрагменты этой ДНК амплифицируют и секвенируют. Параллельно то же самое делают с геномной ДНК мамы и папы. В результате получают массивы данных высокопроизводительного секвенирования, в которых зашифрована информация о десятках тысяч однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП). Эти большие данные обрабатывают при помощи соответствующего алгоритма [17].
Что такое однонуклеотидный полиморфизм?
В норме нуклеотидные последовательности одного человеческого организма продублированы. Мы получаем 23 хромосомы от мамы и 23 хромосомы от папы. Это значит, что каждая позиция генома существует в двух вариантах, или аллелях. При этом некоторые позиции генома у разных людей не совпадают, то есть полиморфны. А бывает, что и у одного человека на двух аллелях в одной и той же позиции разные нуклеотиды. Если один нуклеотид не совпадает, а окружающие его соседние нуклеотиды совпадают, то это однонуклеотидный полиморфизм (ОНП). Например, у Маши в 231 позиции гена qwerty на обоих аллелях расположен нуклеотид G (дезоксигуанозин-5′-монофосфат). А у Пети в этой же позиции на одной аллели G, а на второй C. Значит, для Маши и Пети эта позиция полиморфна. И для одного Пети, кстати, тоже полиморфна. А теперь представьте, что рассматриваем всю человеческую популяцию — тогда таких ОНП наберется довольно много.
В методе NATERA рассматривают только два самых частых варианта ОНП. Для упрощения обозначим первый вариант ОНП символом «А», а второй — символом «В». Если секвенировать один человеческий организм, то возможно три варианта сочетаний ОНП из двух хромосом: АА, АВ и ВВ. Для каждого ОНП измеряют частоту встречаемости ОНП «А», то есть фракцию «А». Для сочетания АА это значение будет равно 100%, для сочетания АВ — 50%, а для сочетания ВВ — 0%. Теперь усложним задачу — пусть в образце есть ДНК из двух разных организмов. Тогда, если в обоих организмах ОНП присутствует в одинаковом варианте АА, то частота А составит 100%. Но возможна и такая ситуация, что в одном организме есть сочетание АА (на двух хромосомах одинаковый ОНП — «А»), а в другом — АВ (на одной хромосоме ОНП «А», а на второй — «В»). Тогда общая фракция «А» будет меньше 100%. Это значение зависит от соотношения между количеством ДНК разных организмов в образце. Если материнской ДНК 99%, а фетальной — 1%, то разница будет незаметна для человеческого глаза. А если материнской ДНК 50%, и фетальной ДНК тоже 50%, то частота «А» в смеси составит 75%. И так далее — возможны разные сочетания вариантов АА, АВ, ВВ из двух разных организмов. Подобную ситуацию можно проиллюстрировать графиком (рис. 2 и 3). Исследуемые ОНП располагают по абсциссе согласно месту локализации в геноме, фракции «А» для каждого ОНП откладывают по ординате. Если оба организма содержат нормальное число хромосом, то получится что-то подобное рисунку 2. Вклад фетальной ДНК приводит к распределению точек в отдельные кластеры-отпечатки, которые можно использовать для определения числа копий хромосомы.
Рисунок 2. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. В методе NATERA рассматриваются такие ОНП, для которых возможны два варианта нуклеотидов. Для упрощения первый вариант ОНП обозначают символом «А», а второй — символом «В». Доля фетальной ДНК в образце составила 28,1%. На оси абсцисс расположены все ОНП согласно позиции в хромосоме. Название хромосом указано над графиком. Каждая точка представляет собой один ОНП, где точное положение по оси Y отображает совместную фракцию «А» материнской и фетальной ДНК. Точки красного цвета соответствуют сочетанию вариантов АА у матери на двух хромосомах, синего — сочетанию ВВ, зеленого — сочетанию АВ. В образце следов анеуплоидии нет. Также отсутствуют ОНП, принадлежащие Y-хромосоме, то есть плод — женского пола.
[18]
А теперь представим ситуацию, когда одна из хромосом плода продублирована. Тогда получится что-то подобное рисунку 3.
Рисунок 3. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. Доля фетальной ДНК в образце составила 19,2%. Описание этого рисунка аналогично предыдущему.
[18]
На рисунке 3 видно, что паттерн распределение частот «А» для ОНП 13-й хромосомы отличается от паттерна распределения фракции «А» для ОНП 18-й, 21-й и Х-хромосомы. Это значит, что у плода есть три 13-е хромосомы. Такое состояние называют синдромом Патау, при котором наблюдают тяжелые врожденные пороки. Следует отметить, что при малой доле фетальной ДНК во внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины паттерны распределения фракции «А» для ОНП разных хромосом неразличимы для человеческого глаза при анеуплоидии у плода. Невидимые глазу искажения распределения фракций «А» можно различить при помощи автоматизированной обработки данных на основе разработанного алгоритма [18]. Таким образом, неинвазивная процедура (забор крови беременной женщины) позволяет выявить анеуплоидии у плода.
Когда начинает проявляться заболевание?
Нарушения в формировании центральной нервной системы плода проявляются на самых ранних периодах его развития. Акрания развивается уже на 28 дней с момента зачатия. Один из самых тяжёлых пороков развития плода происходит на стадии закладки нервной трубки, то есть где-то на третьей неделе его развития в утробе матери. Но такое раннее формирование совсем не гарантирует его выявление на самых первых стадиях беременности.
В основном, самый достоверный и точный диагноз ставится с помощью ультразвукового исследования уже после двенадцатой недели беременности женщины. Если при исследовании на мониторе хорошо видна мозговая ткань в то время, когда главные костные ткани уже должны быть сформированы, значит, диагноз подтверждается.
Развитие нервной системы в первом триместре
После оплодотворения яйцеклетка начинает активное деление, продвигаясь по маточным трубам. На протяжении этого времени (5-10 дней) формируется многоклеточная морула сферической формы, которая внедряется в эндометрий матки. С этого момента начинается развитие плодного яйца и зародыша.
Морула приобретает форму, появляются листки (эктодерма, мезодерма, энтодерма) и органы обеспечения жизнедеятельности эмбриона – хорион, амнион, желточный мешок. Из наружного слоя эктодермы в последующем образуется головной, спинной мозг, периферические нервы и узлы.
В течение семи дней диск меняет форму на цилиндрическую, где различается головной и хвостовой отделы с интенсивным клеточным делением. На четвертой неделе эмбрионального развития происходит замыкание нервной трубки.
В норме трубка начинает закрываться с головной части и, если этого не происходит, зародыш гибнет. В случаях, когда не замыкается хвостовая часть, эмбрион продолжает развиваться, но иннервация нижней части тела будет нарушена.
Среди основных причин патологии трубки, врачи выделяют:
- нехватку витаминов группы В, особенно фолиевой кислоты;
- недостаточное поступление микроэлементов (цинка, йода, железа);
- воздействие эмбриотоксических факторов;
- генетические аномалии.
Пятая и шестая недели эмбриогенеза характеризуются интенсивным продуцированием клеток, их миграцией и формированием зачатков центральной и периферической нервной системы. Появляется передний и промежуточный отдел мозга.
К окончанию второго месяца образованы все внутренние органы эмбриона, продолжается рост полушарий головного мозга и развитие его коры. В это время специальные приборы уже обнаруживают активность мозга и передачу импульсов.
В первом триместре беременности плацентарный барьер еще не сформирован, а эмбрион особенно уязвим перед неблагоприятными воздействиями. Прием алкоголя, наркотических средств, лекарственных препаратов на основе фенобарбитала, повышение температуры тела матери, гипоксия, стрессы и прочие факторы с высокой долей вероятности приводят к порокам развития ЦНС.
Чтобы снизить риски женщине следует отказаться от вредных привычек, особенно следить за своим питанием, избегать стрессов. Нужно включить в рацион продукты богатые витаминами группы В, кальцием, железом, йодом, дополнительно принимать витамин Е и фолиевую кислоту.
Акушеры-гинекологи рекомендуют с осторожностью использовать витаминные комплексы, в состав которых входит витамин А, его избыток может привести к патологиям развития органов эмбриона, в том числе мозга. Оптимальный вариант – употребление продуктов растительного происхождения с высоким содержанием провитамина А бета-каротина. Бета-каротин не обладает тератогенным эффектом, безопасен для малыша.
Учитывая перестройку метаболических процессов, желательно оптимизировать рацион питания и образ жизни еще на этапе планирования беременности, за 3-6 месяцев до зачатия.
