Funkcionālā embrioloģija, pētot funkciju parādīšanos un pilnveidošanos dažādos intrauterīnās attīstības laikos, sniedz izpratni par audu attīstības molekulāro notikumu, audu fenotipu, audu pārveidošanās tipu fiziopatoģenēzi un nodrošina morfofunkcionālās saiknes noskaidrošanu un izpratni ne tikai starp paša embrija struktūrām, bet starp embrija un ekstraembrionālajām struktūrām.
funkcionālā embrioloģija
embrioloģijas apakšnozare, kas pēta attīstošo struktūru funkcijas intrauterīnajā laikā
Saistītie šķirkļi
Nozares un apakšnozares
Satura rādītājs
Praktiskā un teorētiskā nozīme
Funkcionālā embrioloģija pēta, rada, integrē un interpretē informāciju par cilvēka embrija un embrionālo šūnu modeļu morfofunkcionālajām sistēmām, lietojot jaunākās tehnoloģijas un eksperimentālās pieejas. Teorētiskajā plānā svarīga cilvēka aizmetņa attīstības morfofunkcionālā izpēte: determinēta attīstība no šūnas noteiktos audu veidos un pretēji; šūnu un audu formas mehānisko morfofunkcionālo pārmaiņu nosakošo mehānismu un tādu, kas regulē gēnu izdali korelācijā ar šūnu attīstību un audu veidu, izziņa. Klīniskajā medicīnā ir svarīgi pētījumi, kas atklāj dažāda vecuma embriju un augļu histofizioloģiju, akcentējot arī pirmās maņas (dzirdi, redzi, garšu), pirmās kustības un sāpju sajūtas rašanos, intrauterīnos elpošanas tipus un nervu sistēmas funkcionālo attīstību.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Funkcionālā embrioloģija ir embrioloģijas apakšnozare un ir cieši saistīta ar embrioloģiju, eksperimentālo embrioloģiju, attīstības ģenētiku un pēdējos gados izveidotām citām zinātnes apakšnozarēm, kā biomehāniskas embrioloģija (pēta ieligzdeņa (conceptus) kā bioloģiskās sistēmas, sākot no šūnu organoīdiem, šūnām un orgāniem līdz auglim, struktūru, funkciju un kustības mehāniskos aspektus ar mehānikas metodēm), ekoembrioloģija (pēta dinamiski attīstošos organismu/organismu sistēmu savstarpējās attiecības), evolūcijas embrioloģija (pēta dažādu sugu embriju pārmantojamo īpašību, ko nosaka gēni, izmaiņas nākamajās paaudzēs), molekulārā embrioloģija (pēta molekulāros, ģenētiskos un šūnu mehānismus, kas regulē šūnu uzvedību un modeļu veidošanos attīstības laikā). Funkcionālā embrioloģija vēl papildus ir saistīta ar ģenētiku, neirobioloģiju, bioloģiju un vizuālās diagnostikas metodēm, jo īpaši ultrasonogrāfijas jomā.
Galvenās teorijas
1895. gadā kanādiešu evolucionārais biologs Džordžs Romeiness (George John Romanes) proponēja neodarvinisma teoriju, norādot, ka dabiskās atlases un ģenētikas kombinācija ir būtiska funkcionālajai un ekoloģiskajai morfoloģijai.
Filoģenētiskās rekonstrukcijas metodes teorijas pamatā ir amerikāņu zinātnieku Voltera Boka (Walter Bock) un Gerda fon Vālerta (Gerd von Wahlert) 1965. gada evolūcijas adaptācijas princips un tā dēvētā modeļa rekonstrukcija. Filoģenētiskās rekonstrukcijas metode aprobežojas tikai ar mikroevolūcijas izmaiņu skaidrojumu, un to nevar izmantot, ja šķiet, ka citas evolūcijas procesa hipotēzes ticamāk izskaidro speciācijas procesu, t. i., makroevolūciju.
Pēc attīstības kodu teorijas organisko kodu klātbūtne ontoģenēzē ir gan teorētiska nepieciešamība, gan pārbaudāma ideja, kura jau ir atzīta par atbilstošu pierādījumiem. Tādējādi embrija attīstība ir konverģents sarežģītības pieaugums, kam obligāti nepieciešami organiski kodi un organiska atmiņa.
Galvenās pētniecības metodes
Funkcionālā embrioloģija izmanto jau pārbaudītos visbiežāk lietojamos mugurkaulnieku eksperimentālos modeļus, kā peļu embrijus ģenētiskajiem pētījumiem, cāļu embrijus manipulācijām in vivo, zebras zivis mutaģenēzes pētījumiem, abinieku embrijus un arī bezmugurkaulnieku hordaiņus. Klasiskajām metodēm pieder: peļu attīstības modelis, pēcimplantācijas peļu embriju kultūra, orgānu kultūra audu mijiedarbības analīzei, peļu embriju ārstēšana ar retinoīdiem in vivo un in vitro, skeleta ontoģenēzes analīze, izmantojot specifisku kaulu un skrimšļu krāsošanu.
Specializētām metodēm pieder: metodoloģiski dažāda embriju 3D attēlu veidošana, tostarp ar magnētiskās rezonanses mikroskopiju, episkopiskās fluorescences attēlu uztveršanu, fāžu kontrasta rentgenstaru datortomogrāfiju un optisko projekcijas tomogrāfiju. Šīs metodes atļauj embriju 3D rekonstrukciju, analīzi un pat 3D drukāšanu.
Pēdējā izgudrotā ir tā dēvētā loga tehnika embrija attīstošos struktūru novērošanai; šo iespējams kombinēt ar embrija ģenētiskajām manipulācijām, ko veic caur dzemdi vai izmantojot adenovīrusa tipa gēnu nesējus un secīgi ziņotājgēnu ekspresiju embrijos trīs dienas pēc injekcijas. Loga tehnika izmantojama arī šūnu izsekošanai himēros embrijos.
Kā pētniecības metode izmantota tiek arī specifiska šūnu iekrāsošana:
1) dzīvos embrijos ar fluorescento karbocianīna krāsu, kas ļauj izpētīt gastrulācijas šūnu kustību laikā un tās veidus gan normāliem, gan ģenētiski mainītiem embrijiem specifisku gēnu funkcijas noteikšanai (Patrika Tama (Patrick Tam) Austrālijas protokols);
2) DNS vektoru ievietošana putnu bezčaumalas olu embrijos ar elektroporācijas metodi; DNS vektors satur ar fluorescentu krāsu iezīmētu izpētāmo gēnu, kuru iespējams izsekot (Rastija Lensforda (Rusty Lansford) Losandželosas protokols).
Īsa vēsture
Cilvēka funkcionālās embrioloģijas kā zinātnes nozares rašanās ir cieši saistīta ar cilvēku embriju kolekciju izveidi. Amerikāņu zinātnieks Frenklins Molls (Franklin Paine Mall) uzsāka embriju kolekcijas veidošanu, kas 1887. gadā tika izveidota kā Kārnegī kolekcija (Carnegie collection) ar vairāk nekā 10 000 cilvēku embrijiem, pēc kuriem 1912. gadā F. Molls un Francs Keibels (Franz Julius Keibel) izstrādāja galvenās cilvēku embriju intrauterīnās stadijas.
Kioto kolekcija (Kyoto Collection) ietver 44 000 cilvēka embriju un augļu, un tās izpēte pirmo reizi tika minēta japāņu zinātnieka Hideo Nišimuras (西村英夫, Hideo Nishimura) un līdzstrādnieku darbā 1968. gadā.
Amerikāņu dzemdniecības un ginekoloģijas ārsts Džons Roks (John Rock) un laboratorijas tehniķe Mirjama Menkina (Miriam Menkin, dzimusi Rīgā, Latvijā) bija pirmie pētnieki, kas 1944. gada februārī apaugļoja cilvēka olšūnu ārpus cilvēka ķermeņa. Cits amerikāņu zinātnieks Lendrams Šetlzs (Landrum Brewer Shettles) 1955. gadā aprakstīja in vitro apaugļota (IVF) cilvēka ovocīta tālāko attīstības stadiju – morulu. 20. gs. 70. gadu sākumā britu zinātnieks Roberts Edvardss (Robert Geoffrey Edwards) kopā ar Patriku Steptoju (Patrick Christopher Steptoe) aprakstīja priekšnosacījumus apaugļotu cilvēka olšūnu kultivēšanai in vitro līdz 5–6 dienām, kas 1978. gadā rezultējas ar pirmā ārpusķermeņa radītā bērniņa Luīzes Braunas (Luise Braun) piedzimšanu.
Kopš 20. gs. beigām cilvēku embrioloģijas joma ir ļoti attīstījusies. Amerikāņu zinātniece Konija Vonga (Connie Wong) 2010. gadā aprakstīja neinvazīvu cilvēka drostalošanās novērošanu IVF embrijiem; spāņu zinātnieks Markoss Mesegvers (Marcos Meseguer) un japāņu zinātnieks Kioko Ivata (岩田恭子, Kyoko Iwata) attiecīgi 2015. un 2014. gadā aprakstīja cilvēka preimplantācijas embriju kompaktācijas (morulas) stadijas un blastulas veidošanos.
Britu pētnieks Pīters Brods (Peter Braude) 1988. gadā atklāja, ka cilvēka embrijam gēnu ekspresija sākas 4.–8. blastomēru stadijā. Gēnu izdales tipus no zigotas līdz blastocistas stadijai pelei pirmo reizi aprakstījuši amerikāņu pētnieki Keitija Nijakena (Kathy Niakan) un Kevins Egens (Kevin Eggan) 2013. gadā. Cilvēka preimplantācijas embriju transkriptomus pirmo reizi aprakstīja zviedru pētniece Sofija Petropulosa (Sophie Petropoulos) 2016. gadā, bet šādu embriju epiģenētisko profilu pirmo reizi apraksta ķīniešu pētnieks Piņs Žu (朱平, Ping Zhu) 2018. gadā.
1995. gadā amerikāņu zinātnieks Džeimss Tomsons (James Thomson) publicēja darbu “Cilvēka embrionālo cilmes šūnu izolēšana no cilvēka blastocistas” (Embryonic Stem Cell Lines Derived from Human Blastocysts), kas radīja iespēju jaunai pētnieciskai reģeneratīvās terapijas pieejai.
Cilvēka preimplantācijas embriju hromosomu nestabilitāti un ar tām saistīto gēnu un hromosomu nenormālības 2009. gadā aprakstīja beļģu zinātniece Evelīne Vanneste (Evelyne Vanneste) un amerikāņu zinātnieks Santjago Munē (Santiago Munné).
Britu zinātniece Nora Fogartija (Norah Fogarty) 2017. gadā pirmo reizi veica gēnu funkciju izpēti cilvēka embrijiem (OCT4 knockout, kad izslēgts OCT4 gēns), konstatējot atšķirības starp šī gēna funkcijām pelēm un cilvēkiem un nosakot cilvēka embriju gēnu funkciju izpētes zelta standarta metodes.
Attīstība mūsdienās
Aktuālie pētījumu virzieni skar: embriju 3D asinsvadu attīstības analīzi, augļa plaušu tilpuma 3D ultrasonogrāfijas metodes pilnveidošanu augļa/jaundzimušo elpošanas funkcijas prognozēšanā, augļa smadzeņu augšanas morfofunkcionālos pētījumus, veidojot ar laika/telpas difūzijas iestiepuma magnētiskās rezonanses metodi attēlu atlantu no uzņemtajiem augļa attēliem dzemdē, cilvēka embrija fenotipu noteikšanu pēc kohortas specifiskajiem prognostiskajiem faktoriem, peles/cilvēka cilmes šūnu un agrīno embriju transkripcijas analīzi, embrionālo neironālo cilmes šūnu diferenciāciju in vitro, embrija neiroģenēzes “kartes” izveidošanai. Atsevišķs pētījumu virziens skar profilaktisko cilvēka embriju kriosasaldēšanu ar secīgu reproduktīvā materiāla analīzi pēc atkausēta embrija pārvietošanas dzemdē, specifisku gēnu, kas iesaistīti ovocītu un agrīnā embrija nobriešanā, izpēti, mātes/tēva gēnu ietekmi uz embrija vispārējām/specifiskām struktūrām/funkcijām, eksperimenta dzīvnieku modeļu toksigenomiskās analīzes, morfofunkcionālo atšķirību noskaidrošanu dabīgā veidā un ar IVF metodi iegūtajiem embrijiem, starpsugu klonēto hibrīdembriju morfofunkcionālo izpēti un visbeidzot – specifisku slimību, piemēram, mātes diabēta, ietekmi uz attīstošos embriju, kā arī epiģenētisko faktoru, piemēram, stresa radītās morfofunkcionālās embriju pārmaiņas vispārējā un ļoti specifiskā audu faktoru izpētes līmenī.
Galvenās pētniecības iestādes
Simsa Starptautiskā auglības klīnika/Simsa Institūts (Sims International Fertility Clinic/The Sims Institute) Dublinā, Īrijā; Djūka Universitāte (Duke University) Darhemā, Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV); Līlenda Stenforda jaunākā Universitāte (Leland Stanford Junior University) Stenfordā, ASV; Hārvarda Universitāte (Harvard University) Kembridžā, ASV; Pekinas Universitāte (北京大學, Peking University) Ķīnā; Džonsa Hopkinsa Universitātes Kārnegī zinātnes institūta Embrioloģijas nodaļa (Johns Hopkins University, Carnegie Institution for Science, Department of Embryology) Baltimorā, ASV; Frānsisa Krika institūta Cilvēka embrija un cilmes šūnu laboratorija (Human Embryo and Stem Cell Laboratory, The Francis Crick Institute) Londonā un NIHR Kembridžas biomedicīnas pētījumu centrs (NIHR Cambridge Biomedical Research Centre) Lielbritānijā.
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Placenta (kopš 1980. gada; The International Federation of Placenta Associations, Elsevier); Nature Methods (kopš 2004. gada; Nature Publishing Group); Nature Biotechnology (kopš 1996. gada; Nature Publishing Group, UK; 1983.–1996. gados – Bio/Technology); Early Human Development (kopš 1977. gada; Elsevier).
Nozīmīgākie pētnieki
Itāļu katoļu priesteris un biologs Lacāro Spalancāni (Lazzaro Spallanzani), pētot sikspārņus, secināja, ka viņi var orientēties pēc skaņas (mūsdienās eholokācija, kur atrašanās vietas tiek noteiktas vai noteiktas, izmantojot skaņas viļņus, kas tiek atstaroti no apkārtējās vides objektiem). Uz šiem principiem balstītu ultraskaņas metodi klīniskajiem mērķiem pirmo reizi izmantoja 1956. gadā Glāzgovā skotu dzemdību speciālists Īans Donalds (Ian Donald) un inženieris Tomass Brauns (Thomas Graham Brown). Amerikāņu zinātnieks Bredlijs Patens (Bradley Merrill Patten) 1948. gadā atklāja, ka cilvēka embrija sirds sāk pilnvērtīgi sarauties 5. embrioģenēzes nedēļā. Amerikāņu zinātnieki Kristīna Hana (Christina Han) un Lorenss Plats (Lawrence Platt) 2018. gadā izveidoja augļa biofiziskālo profilu, nosakot tā pirmo kustību parādīšanos starp 7,5.–10. embrionālo nedēļu. Pēc ultraskaņas novērojumiem 1981. gadā amerikāņu ārsts Džeisons Birnholcs (Jason Birnholz) raksturoja augļa četrus acu kustību modeļus, kas parādās no 16. embrionālās nedēļas. Vācu zinātnieks Tomass Blūms (Thomas Blum) pierādīja augļa magnetoencefalogrāfiju kā neinvazīvu augļa maņu/smadzeņu funkciju izpēti dzemdē. Zviedru ārsts Ēriks Vedenbergs (Erik Wedenberg) 1956. gadā atklāja, ka auglis jau no 27./28. nedēļas spēj reaģēt uz skaņas signāliem, un kopā ar diviem citiem zviedru zinātniekiem – Bertilu Johansonu (Bertil Johansson) un Bjernu Vestinu (Björn Westin) –– 1964. gadā atklāja augļa reakciju uz vibroakustiskajiem stimuliem līdz frekvencēm, kas svārstās no 836 Hz līdz 3000 Hz. Vienlaikus dzemdē esošais auglis var arī viegli noteikt zemfrekvences skaņas enerģiju (<500 Hz).