Embriologia - ebook

Przedmowa do wydania szóstego

Pierwsze wydanie „Embriologii” ukazało się w 1995 roku, a ostatnie – w roku 2012. Nowe wydanie podręcznika zostało zaktualizowane i uzupełnione.

Znacznie poszerzony został rozdział poświęcony wadom wrodzonym. Urodzenie zdrowego dziecka to współcześnie nie tylko problem oczekujących na potomstwo rodziców i ich rodzin, ale także społeczeństwa, struktur państwa. Wiedza o wadach wrodzonych, ich genetycznych i pozagenetycznych uwarunkowaniach jest coraz szersza, ale równocześnie przybywa nowych zagrożeń, których przykładami mogą być: zakażenie wirusem Zika i epidemia małogłowia, wady spowodowane pyłem zawieszonym czy coraz częściej sugerowany związek współczesnych wojen z patologią ciąży i anomaliami. Podrozdział poświęcony FAS został istotnie rozszerzony o najnowsze doniesienia literaturowe, głównie z tego względu, że płodowe następstwa alkoholu to jedno z najważniejszych wyzwań zdrowia publicznego w Polsce.

Ilustracje, również te nowe i poprawione, to zasługa mego wieloletniego współpracownika – artysty grafika Jerzego Zakrzewskiego, któremu jestem wdzięczny za pomysłowość oraz cierpliwość w uwzględnianiu licznych uwag i poprawek.

Kolejne wydanie „Embriologii” zawdzięczam życzliwości, jakiej doświadczam ze strony Redakcji PZWL Wydawnictwa Lekarskiego. Szczególne wyrazy wdzięczności pragnę przekazać Pani mgr Annie Plewie – Wydawcy, za Jej wieloletnią, pełną serdeczności inspirującą współpracę. Bardzo dziękuję również Pani mgr Annie Klocek, której skrupulatność przy redagowaniu podręcznika jest godna podziwu.

Podręcznik adresowany jest przede wszystkim do studentów medycyny i lekarzy, ale mam nadzieję, że – tak jak dotychczas – korzystać z niego będą studenci innych kierunków medycznych: pielęgniarstwa i położnictwa, fizjoterapii, dietetyki, biotechnologii, a także studenci i lekarze weterynarii oraz studenci kierunków biologicznych.

Moim studentom, zarówno ich krytycznym, jak i przychylnym uwagom zawdzięczam inspirację do systematycznego unowocześniania podręcznika. Wszystkim będę wdzięczny za dalszą współpracę, ponieważ – jak przypuszczam – i w tym wydaniu nie uniknąłem błędów, za które przepraszam.

Embriologia jest niezwykłą dziedziną wiedzy i jak każda nauka składa się z prawdy i piękna. Dzięki żmudnym badaniom embriologów XIX i XX wieku poznano i skrupulatnie opisano rozwój prenatalny, stale jednak otwarte pozostaje pytanie o mechanizmy nim kierujące. W poszukiwaniu prawdy wiele odpowiedzi wnosi współczesna biologia molekularna, której metody „zaaplikowane” w badania embriologiczne (w biologię rozwoju) wyjaśniają zawiłe procesy embriogenezy, dzięki którym zarodek/płód jest właśnie tym fascynującym pięknem.

Hieronim Bartel1. Zarys historii embriologii

Embriologia zajmuje się rozwojem organizmu od zapłodnienia do urodzenia. Słowo émbryon (έμβρυο) pochodzi z języka starogreckiego i oznacza nowo narodzone (jagnię), coś młodego, istotę poczętą lub rozwijającą się. Słowa fetus (płód) oraz conceptus (poczęty), często potocznie uznawane za pojęcia synonimowe, a także nasciturus, nasci (w języku prawniczym – rodzić się) wywodzą się z języka łacińskiego.

Historia embriologii jest niezwykle ciekawa i pouczająca. Rozwój zarodkowy człowieka i zwierząt intrygował ludzi od zarania dziejów. Ze starożytnych państw: Egiptu, Babilonii, Indii, Chin, Meksyku i Peru pochodzą zadziwiająco precyzyjne opisy narządów rozrodczych kobiety oraz metod postępowania przy porodzie. W staroegipskim papirusie z Kahun (około 1550 rok p.n.e.) znajdują się opisy zaburzeń miesiączkowania, receptura na miksturę z kolców akacji, zapobiegającą ciąży, oraz zapisy dotyczące prób ustalenia płci dziecka na podstawie zachowania się kiełków pszenicy i jęczmienia zalanych moczem kobiety ciężarnej. W tzw. tekście Suśruty-Samhity (Indie, I wiek p.n.e.) zawarty jest szczegółowy opis rozwoju dziecka w łonie matki, różnicowania się narządów w różnych okresach ciąży, opis „łoża” dla dziecka (macicy) oraz stwierdzenie, że ciąża jest efektem zmieszania nasienia mężczyzny z krwią miesiączkową kobiety.

Najstarsze zapiski greckie pochodzą od filozofa Anaksagorasa z Kladzomen (500–428 p.n.e.). Uważał on, że pierwsze zwierzęta powstają z ciepła, wilgoci i ziemi, a następne jedne z drugich, z gotowego ukształtowanego zarodka. Twierdził także, że z zarodków pochodzących z lewej części organizmu rozwijają się organizmy żeńskie, a z prawej – męskie. Hipokrates z wyspy Kos (460–377 p.n.e.) w swej rozprawie zalecał obserwować rozwój jaja kurzego, gdyż na podstawie rozwoju tego ptaka można wnioskować o rozwoju człowieka.

Z grona wielkich filozofów greckich twórcą embriologii uznano Arystotelesa (384–322 p.n.e.). Ten wszechstronny myśliciel mylił się oczywiście, twierdząc, że muchy powstają z psującego się mięsa, małże lęgną się z mułu, pszczoły rodzą się samorodnie, a nowy organizm powstaje z krwi miesiączkowej pod wpływem samych sił zawartych w nasieniu samca. W jego „Traktacie o rodzeniu” (około 340 rok p.n.e.) znajduje się do czasów Arystotelesa najdoskonalszy opis zarodka kurczęcia. Z dzieła tego przenika myśl o kierowaniu rozwojem przez istotę nadrzędną (Creative principle). Sławny lekarz rzymski pochodzenia greckiego Galen (Galenus Claudius, około 230–200 p.n.e.) w dziele pt. „O kształtowaniu się płodu” zamieścił szczegółowy opis płodu ludzkiego. Jako pierwszy opisał także łożysko, owodnię i omocznię.

Okres średniowiecza (V–XIV wiek) nie przyczynił się do postępu w poznaniu zjawisk embriologicznych.

Rycina 1-1

Akt płciowy. Rysunek Leonarda da Vinci, około 1490 rok.

Embriologią zajmował się Leonardo da Vinci (1452–1519). Pozostawił on po sobie między innymi rysunki aktu płciowego człowieka oraz płodu ludzkiego w macicy (ryciny 1-1 i 1-2). Wartościowych obserwacji rozwoju zarodka kurczęcia i niektórych zarodków ssaków dokonał także Hieronymus Fabricius (Girolamo Fabrizio 1537–1619).

Rycina 1-2

Płód w rozciętej macicy. Rysunek Leonarda da Vinci, około 1510 rok.

Postępowe idee ery renesansu przyczyniły się do wzrostu rangi nauk przyrodniczych. Skonstruowanie mikroskopu miało znaczący wpływ na rozwój embriologii oraz wielu innych nauk.

Rycina 1-3

Tytułowa strona dzieła Harveya o rozwoju zwierząt. Zeus trzyma w dłoniach odkryte jajo, z którego wydostają się owady, ptaki, gady, płazy, ssaki i człowiek.

Ideę mikroskopu stworzył Johannes Kepler w 1611 roku, a nazwę „mikroskop” wprowadził Demiscianus trzy lata później.

W roku 1590 pierwsze soczewki wykonali holenderscy szlifierze diamentów Hans i Zachariasz Janssenowie.

Pierwsze obserwacje mikroskopowe przypisuje się najczęściej Robertowi Hooke’owi (1635–1703) i Antonowi van Leeuwenhoekowi (1632–1723), chociaż już w roku 1614 Galileusz w urządzeniu optycznym, nazwanym przez niego specillum lub tubus bilens, oglądał kutikulę muchy, a Francesco Stelluti w roku 1625 obserwował pszczołę, której szczegółowy rysunek w dziele „Melisographia Lincea” dedykował papieżowi Urbanowi VIII.

Robert Hooke (1635–1703) ukończył Oxford; był głównym eksperymentatorem Towarzystwa Królewskiego w Anglii, którego pracami przez pewien okres kierował (przed Hooke’em Towarzystwu przewodził Izaak Newton). Towarzystwo Królewskie (Royal Society) było w tym czasie najważniejszym gremium naukowym w Europie. W jego skład wchodzili uznani uczeni, a do ich zadań należało ocenianie nadsyłanych raportów (informacji) o odkryciach naukowych (nie było przecież czasopism naukowych).

Hooke, w oparciu o zbudowany przez siebie mikroskop, dokonał licznych obserwacji, które opisał w wydanej w 1665 roku obszernej „Micrographii”. Odkrył komórkę roślinną. W cienkich skrawkach kory drzewa korkowego spostrzegł „pokoiki”, które skojarzył z celami mnichów klasztornych, nazywając je z języka łacińskiego cella – komórka. Faktycznie odkrył błonę komórkową, twierdził bowiem, że we wnętrzu komórki jest tylko powietrze.

William Harvey (1578–1657), posługując się prymitywnym systemem soczewek, dokonał wielu ważnych odkryć. Wprawdzie sławny stał się przede wszystkim jako odkrywca systemu krążenia krwi, co opisał w dziele „Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus”, ale zajmował się także embriologią. W swym traktacie o rozmnażaniu „Exercitationes de generatione animalium” (1651) twierdził, że wszystko co żywe wykluwa się z jaja. Na stronie tytułowej swego dzieła umieścił znane stwierdzenie „Ex ovo omnia” (rycina 1-3). Zaprzeczał teorii samorództwa (chociaż wierzono w nią aż do czasów Pasteura), był zwolennikiem epigenezy, ale na jej potwierdzenie nie przedstawił dowodów. Uważał, że jajo to nie komórka jajowa, ale zarodek w początkowej fazie rozwoju. Lekarz włoski Marcello Malpighi (1628–1694) twierdził, że do powstania nowego organizmu potrzebne są elementy męskie i żeńskie. W dziele „De ovo incubato” opisał rozwój zarodka kurczęcia i na przykładzie rozwoju tego gatunku popierał teorię preformacji. W 1672 roku anatom holenderski Robert Régnier de Graaf (1641–1673) – lekarz-anatom – opisał pęcherzyk jajnikowy u królika, przypuszczając, że odkrył komórkę jajową. Dokonanie to upamiętnione zostało powszechnie przyjętym, a zaproponowanym przez Albrechta von Hallera, określeniem „pęcherzyk Graafa” dla dojrzałego pęcherzyka jajnikowego.

Anton van Leeuwenhoek (1632–1723) urodził się w Delft w Zjednoczonych Niderlandach. Jego matka warzyła piwo, a ojciec wyplatał kosze. Choć nie miał wykształcenia, został geniuszem. Był uczniem kupca towarów tekstylnych, a następnie sam prowadził w Delft sklep bławatny (sprzedawał tekstylia, nici, guziki); był także stróżem nocnym. Po 40. roku życia przez ponad pół wieku prowadził obserwacje za pomocą mikroskopów własnej konstrukcji. Mikroskop składał się z własnoręcznie oszlifowanej soczewki oprawionej w mosiężną płytkę (a często w srebrze i złocie) i pozwalał na osiągnięcie największych w owych czasach powiększeń 50–200 ×. Skonstruował 247 kompletnych mikroskopów (rycina 1–4). Pod mikroskopem badał szczegóły budowy wszy, żądła pszczoły, pleśni, mikroorganizmów (żyjątek) w wodzie, na powierzchni skóry, zębów, własnych wydalin. Opisał krwinki i ruch krwi w naczyniach krwionośnych, a także bakterie, nie kojarząc ich czynności (nazwany został ojcem mikrobiologii). Obserwacje swoje opisywał w języku holenderskim (nie znał łaciny) w listach przesyłanych Towarzystwu Królewskiemu (tłumaczyli je Régnier de Graaf oraz Huygens). Publikowano je w „Philosophical Transaction” Towarzystwa Królewskiego. W ciągu 50 lat napisał 295 listów (jeszcze na łożu śmierci prosił o przesłanie dwóch z nich).

Rycina 1-4

Mikroskopy Antona van Leeuwenhoeka.

Był szanowanym obywatelem Delft, władze miasta mianowały go kuratorem dzieł miejscowego malarza Jana Vermeera. Na pokazy mikroskopowe Leeuwenhooka przyjeżdżali królowie i książęta, między innymi Piotr Wielki, Fryderyk Wielki, Jerzy II, August II, Grand Duke Cosimo III z Toskanii. W wieku 48 lat został przyjęty do Towarzystwa Królewskiego (jako full member in absentia).

Współcześni biografowie – historycy nauki – nazwali Roberta Hooke’a i Antona van Leeuwenhooka Galileuszami biologii.

Wielkim embriologiem holenderskim, obok Leeuwenhoeka i Graafa, był przyrodnik Jan Swammerdam (1637–1680). Niezależny materialnie dzięki ojcu – bogatemu aptekarzowi – całe życie poświęcił żmudnym obserwacjom embriologicznym. Znany był ze swych znakomitych publicznych wykładów z pokazami obiektów biologicznych. Wprowadził pojęcie bruzdkowania na podstawie bruzd obserwowanych w czasie rozwoju jaja żaby. Opisy rozwoju zarodkowego różnych gatunków zamieszczone w dziele „Biblia naturae” jeszcze dzisiaj zadziwiają swą precyzją. Swammerdam był twórcą teorii rozwoju embriologicznego – preformacji. Teoria preformacji zakładała, że w jaju znajduje się zminiaturyzowany osobnik, zawierający już wszystkie narządy, a jego rozwój polega na ich wzroście. Szwajcarski filozof i przyrodnik Charles Bonnet (1720–1793) twierdził, że zarodek zawiera w sobie następny zarodek. Podobnie Swammerdam mawiał, że czerwie owadów to w pełni upostaciowane małe owady, które po utracie błony otaczającej przyjmują formę dojrzałą. Preformiści dzielili się na owistów, którzy zakładali, że zarodek jest preformowany w jaju (z łac. ovum – jajo), i na animalkulistów, lokalizujących miniaturowy organizm w plemniku. Plemniki nazywano wówczas także zwierzątkami nasiennymi (z łac. animaculum – zwierzątko). Nicolas Hartsoeker (1656–1725) twierdził, że za błonką pokrywającą główkę plemnika ukryty jest miniaturowy człowiek (homunculus), którego hipotetyczny obraz przedstawił na znanym rysunku (rycina 1-5).

Poglądy preformistów obalił 26-letni Caspar Friedrich Wolff (1734–1794), jeden z największych embriologów niemieckich. Był on profesorem anatomii i fizjologii w St. Petersburgu. Na podstawie obserwacji zarodka ptaka sformułował teorię rozwoju embrionalnego, nazwaną epigenezą. Udowodnił, że zarodek nie jest zminiaturyzowanym organizmem, lecz powstaje stopniowo, z warstwowo ułożonego materiału, a oddziaływanie czynników zewnętrznych (epigenetycznych) przyczynia się do jego przekształcenia i wzrostu. Spór między zwolennikami teorii epigenezy a preformistami ostatecznie zakończył w 1775 roku Lazzaro Spallanzani (1729–1799), który stwierdził, że „dla powstania nowego organizmu niezbędne są zarówno komórka jajowa, jak i plemnik”. Christian Pander w 1817 roku potwierdził obserwacje Wolffa i jako pierwszy użył terminu „listki zarodkowe”. W 1845 roku Robert Remak (1815–1865) ograniczył liczbę listków zarodkowych do trzech.

Rycina 1-5

Zminiaturyzowany człowiek (homunculus) w główce plemnika. Rysunek Hartsoekera z 1694 roku.

Ojcem współczesnej embriologii nazwano Karla Ernsta von Baera (1792–1876). W 1827 roku – a więc 150 lat po opisaniu plemników – odkrył on komórkę jajową w pęcherzyku jajnikowym człowieka i ssaków, opisał zygotę oraz blastocystę ssaków, ugruntował teorię listków zarodkowych, a także zapoczątkował embriologię porównawczą. Von Baer jest twórcą praw rozwoju, według których wczesne zarodki różnych zwierząt są do siebie podobne, a różnice między zarodkami są tym większe, im są one starsze.

Wielkim krokiem w rozwoju biologii, w tym także embriologii, było ogłoszenie w 1839 roku przez dwóch uczonych niemieckich – botanika Matthiasa Schleidena (1804–1881) i zoologa Theodora Schwanna (1810–1882) – teorii komórkowej. Zgodnie z nią organizm składa się z komórek oraz wytworzonych przez nie składników. Teorię komórkową w embriologii wprowadził jako pierwszy Rudolf Albert von Koelliker (1817–1905).

W 1868 roku Ernst Haeckel (1834–1919) sformułował swoje prawo biogenetyczne, nazwane później prawem Haeckla, według którego rozwój ontogenetyczny jest skróconą i zmodyfikowaną rekapitulacją rozwoju filogenetycznego.

Oskar Hertwig (1849–1922) w 1875 roku zaobserwował, jak mały plemnik jeżowca wnika do dużego jaja jeżowca i jak jądra obu komórek się zlewają. Dokonał tym samym odkrycia procesu zapłodnienia.

Ciekawego doświadczenia dokonał w 1888 roku embriolog niemiecki Wilhelm Roux (1850–1924). Rozgrzaną igłą uszkodził jeden z dwóch blastomerów żaby i obserwował dalszy rozwój nieuszkodzonego blastomeru. Zapoczątkował tym samym rozwój embriologii doświadczalnej. Podobne doświadczenia u jeżowców, z użyciem czynników mechanicznych i chemicznych, stosowali Hans Driesch (1867–1941), Theodor Boveri (1862–1915) i Jacques Loeb (1859–1924) – biolog amerykański pochodzenia niemieckiego. W 1900 roku Loebowi udało się pobudzić mechanicznie do rozwoju niezapłodnione jajo żaby. W ten sposób stał się odkrywcą sztucznej partenogenezy.

W 1878 roku Walther Flemming (1843–1905) odkrył chromosomy, a w 1883 roku Pierre Joseph van Beneden (1809–1894) stwierdził, że ich liczba w komórkach płciowych jest zmniejszona o połowę w porównaniu z pozostałymi komórkami, a redukcja liczby chromosomów następuje w czasie podziału mejotycznego. Pierwszych obserwacji chromosomów ludzkich dokonał David Paul Hansemann w 1891 roku. W 1912 roku Hans von Winiwarter twierdził, że jest ich 48 u kobiet i 47 u mężczyzn. Ostatecznie, dopiero w 1956 roku Japończyk Joe Hin Tjio i Szwed Johan Albert Levan ustalili, że liczba chromosomów ludzkich wynosi 46.

W 1953 roku James Watson i Francis Crick opisali strukturę przestrzenną soli kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Było to jedno z najważniejszych odkryć XX wieku. Stworzyło podstawy dla rozwoju współczesnej genetyki (rozszyfrowania genomu roślin, zwierząt i człowieka), inżynierii genetycznej oraz biologii molekularnej.

W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku, początkowo Ethel Browne Harvey, a następnie Hans Spemann (1869–1941) wraz ze swymi współpracownikami, Hilde Mangold oraz Johannsem Holftreterem, stosując metody mikrochirurgiczne, odkryli zjawisko indukcji embrionalnej, które polega na tym, że nieznanej natury czynniki, tzw. organizatory, wpływają sterująco na rozwój sąsiednich komórek zarodka.

W latach czterdziestych ubiegłego stulecia rozpoczęto doświadczenia nad sztucznym zapłodnieniem i hodowlą zarodków ssaków.

Pierwszego zapłodnienia in vitro ludzkiej komórki jajowej przez plemnik dokonali w 1978 roku Anglicy – dr Patrick Steptoe, położnik ze szpitala w Oldham, i dr Robert Edwards, profesor fizjologii rozrodu z Uniwersytetu w Cambridge. Urodzona w efekcie zastosowania tej metody w Klinice Bourn Hall córka małżeństwa Lesley i Johna Brownów otrzymała imię Luiza.

Dr Steptoe zmarł w 1988 roku w wieku 75 lat, a 85-letni dr Edwards w roku 2010 otrzymał Nagrodę Nobla z fizjologii i medycyny za opracowanie techniki sztucznego zapłodnienia u człowieka. Zmarł w 2013 roku w wieku 88 lat.

W Polsce pierwsze dziecko (chłopiec) urodzone zostało w wyniku zastosowania metody in vitro w Klinice Położniczo-Ginekologicznej Akademii Medycznej w Białymstoku 12 listopada 1987 roku, w zespole kierowanym przez prof. Mariana Szamatowicza.

W 1983 roku w klinice Uniwersytetu w Melbourne, pod kierunkiem dr. Carla Wooda urodziło się pierwsze dziecko z zamrożonego zarodka ludzkiego.

W Polsce pierwsze dziecko z zamrożonej komórki jajowej urodziło się 19 grudnia 2007 roku.

W 1983 roku Richard Palmiter uzyskał metodą inżynierii genetycznej transgeniczną mysz gigantyczną. W doświadczeniu dokonano fuzji ludzkiego genu, kodującego hormon wzrostu, z przedjądrzem jaja myszy. Wkrótce uzyskano kolejne zwierzęta transgeniczne – czyli zmienione genetycznie.

Doświadczenia nad zarodkami in vitro rozwijają się tak dynamicznie, że w środowiskach naukowych, rządowych i parlamentarnych wielu krajów rozgorzała dyskusja nad ich celowością i nieprzewidzianymi konsekwencjami. W rezultacie Komitet Ministrów Rady Europy zobowiązał państwa członkowskie Wspólnoty Europejskiej, aby zakazały wykorzystywania metody in vitro w celach handlowych oraz badawczych, wyszczególniając, jakich doświadczeń nie wolno wykonywać.

Rycina 1-6

Sklonowanie owcy: a. Poszczególne etapy czynności dokonywanych w komórce jajowej pod mikroskopem świetlnym przy użyciu mikromanipulatora. b. Hodowla in vitro sklonowanej komórki oraz przeniesienie blastocysty do macicy owcy (donoszącej ciążę).

W lutym 1997 roku Ian Wilmut i Keit H.S. Campbell z Roslin Institute koło Edynburga w Szkocji zadziwili świat, oznajmiając, że uzyskali jagnię nazwane „Dolly” po sklonowaniu dorosłej owcy (rycina 1-6)¹. Wprawdzie uprzednio udało się już sklonować króliki, owce, krowy, a nawet małpy (Macacus rhesus), ale wyłącznie z komórek zarodkowych. Zespół naukowców z Roslin Institute do sklonowania użył zaś jądra komórki gruczołu sutkowego (wymienia) 6-letniej owcy. Po pobraniu komórki z gruczołu sutkowego hodowano ją przez 5 dni w płynie o zmniejszonym stężeniu osocza. Ta swoista metoda „głodzenia” komórki spowodowała jej przejście z fazy G_(I) do fazy G₀. Następnie jądro tej komórki przeniesiono metodą mikromanipulacji do komórki jajowej uprzednio pozbawionej jądra. Komórkę tę pobrano z jajowodu od owcy-dawczyni. Był to oocyt zatrzymany w fazie G₀ cyklu komórkowego. Po 6 dniach hodowli in vitro uzyskaną blastocystę przeniesiono do macicy owcy, która urodziła Dolly. Z 277 tego typu doświadczeń jedno zakończyło się sukcesem.

Jagnię Dolly nie było absolutnie wierną kopią owcy wybranej do sklonowania, ponieważ jego rozwój prenatalny nie dokonywał się w macicy owcy dawczyni jądra ani też nie otrzymało ono genów znajdujących się w mitochondriach komórki gruczołu sutkowego. Po około roku owca Dolly została zapłodniona w sposób naturalny i urodziła jagnię.

Narodziny Dolly bez udziału ojca powszechnie uznano zarówno za przełom w nauce, jak i etyce.

W roku 1981 Sir Martin John Evans i Matthew Kaufman z Uniwersytetu w Cambridge oraz Gail Martin z Uniwersytetu w Kalifornii niezależnie od siebie uzyskali zarodkowe komórki macierzyste z bardzo wczesnych zarodków myszy.

W 2007 roku Sir Martin John Evans oraz Mario Capecchi z Uniwersytetu Utah i Oliver Smithies z Uniwersytetu Północnej Karoliny otrzymali Nagrodę Nobla za „odkrycie zasad, jakie obowiązują podczas wprowadzania specyficznych zmian w genach myszy przy użyciu zarodkowych komórek macierzystych”.

Odkrycie komórek macierzystych okazało się milowym krokiem w leczeniu wielu chorób i zapoczątkowało erę medycyny regeneracyjnej (medycyny komórek macierzystych, medycyny stem cells).

W końcu 1998 roku James Thomson doniósł, że wyhodował z ludzkich blastocyst linię totipotencjalnych macierzystych komórek zarodkowych (embryonic stem cells). Wszystkie te komórki nawet po 5 miesiącach były zdolne do różnicowania się w trofoblast oraz trzy listki zarodkowe.

W lutym 2001 roku, po 13 latach badań dwóch zespołów badawczych – Human Genome Project oraz Celera Genomics – opublikowano zsekwencjonowany genom człowieka.

Od początku bieżącego stulecia pojawiają się informacje o sklonowaniu człowieka. Żadna jednak nie znalazła potwierdzenia w najpoważniejszych czasopismach naukowych, takich jak „Nature” czy „Science”. W ostatnich latach w licznych laboratoriach na świecie uzyskano hybrydowe zarodki między zwierzętami, a także człowieka i zwierząt (mysz, szczur, małpa), z zamiarem pozyskania tkanek i narządów zwierzęcych do przeszczepów lub wyhodowania całych narządów (np. trzustki). Przykładowo w przypadku hybrydy mysz–człowiek z organizmu ludzkiego pobrano iPS (indukowane pluripotencjalne komórki somatyczne) i wstrzyknięto je do zarodka zwierzęcia kontynuując hodowlę do 14,5 dnia ciąży myszy. Powyższe badania, których pełne wyniki zapewne w części są utajnione, budzą poważne zastrzeżenia etyczne i protesty.

Zarys historii embriologii medycznej w Polsce

Początki historii badań embriologicznych w Polsce wiążą się z uniwersytetami w Krakowie, Lwowie, Warszawie i Wilnie, a w okresie po II wojnie światowej także z nowymi uczelniami medycznymi w Gdańsku, Łodzi i innych miastach.

Jednym z pionierów embriologii na Uniwersytecie Jagiellońskim był uczeń profesora Kazimierza Kostaneckiego – profesor Emil Godlewski Jr (1875–1944). Zorganizował on w 1918 roku Katedrę Biologii i Embriologii, którą kierował przez 21 lat. Prowadził między innymi badania nad mechanizmami zapłodnienia, sztucznej partenogenezy oraz regeneracji. W roku 1924 ukazała się jego „Embrjologja” – pierwszy polski podręcznik poświęcony w znacznej części rozwojowi człowieka (rycina 1-7)². Profesor Godlewski jako jedyny Polak został w 1936 roku członkiem Papieskiej Akademii Nauk (Pontificia Academia Scientiarum). W listopadzie 1939 roku z powodu choroby nie poszedł na zebranie profesorów krakowskich uczelni, zwołane przez gubernatora Hansa Franka, przez co uniknął aresztowania. Zmarł w Krakowie pod koniec wojny na skutek zakażenia różą.

Uczniem i następcą profesora Emila Godlewskiego Jr. był profesor Stanisław Skowron (1900–1976). Kierował on Katedrą Biologii i Embriologii na Uniwersytecie Jagiellońskim, a następnie w krakowskiej Akademii Medycznej. Swoje zainteresowania naukowe koncentrował na genetyce, ewolucji oraz embriologii medycznej.

Profesor Stanisław Hiller (1891–1965) (rycina 1-8) był uczniem wybitnych profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego: Napoleona Cybulskiego, Emila Godlewskiego Jr. i Kazimierza Kostaneckiego. Jako stypendysta Rockefellera w USA prowadził pod kierunkiem profesora Chana D. Chambersa badania nad zarodkami płazów oraz człowieka. Przed II wojną światową na Uniwersytecie im. Stefana Batorego w Wilnie kierował Katedrą Histologii i Embriologii. Jego współpracownikami byli wypromowani docenci – Stefan Bagiński i Jan Kruszyński. W roku 1945 zorganizował Katedrę Histologii i Embriologii w Akademii Medycznej w Gdańsku, gdzie kontynuował swoje badania nad prawidłowym i patologicznym rozwojem zarodka ludzkiego.

Rycina 1-7

Profesor Emil Godlewski Jr (1875–1944). Strona tytułowa pierwszego wydania podręcznika embriologii.

Profesor Hiller unowocześnił wznowiony po wojnie podręcznik embriologii Emila Godlewskiego Jr. Jako motto wybrał słowa: „Mój kraj, nauka, cnota” wygrawerowane na drzwiach Uniwersytetu im. Stefana Batorego w Wilnie, w którym przed wojną był dziekanem Wydziału Lekarskiego i prorektorem.

Profesor Stefan Bagiński (1892–1969) w roku 1945 zorganizował w Łodzi Katedrę Histologii i Embriologii oraz rozpoczął nauczanie histologii i embriologii na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Łódzkiego, a następnie w Akademii Medycznej. Ponadto był współorganizatorem Wojskowej Akademii Medycznej w Łodzi i pierwszym kierownikiem Katedry Histologii i Embriologii na tej uczelni. Był jednym z pionierów badań histochemicznych w embriologii. Opisał 20-dniowy zarodek ludzki pochodzący z operowanej ciąży jajowodowej. Zarodek ten, zakwalifikowany do dziewiątego stadium rozwojowego, należy według Ranona O’Rahillego do najwcześniej udokumentowanych zarodków ludzkich.

Rycina 1-8

Profesor Stanisław Hiller (1891–1965).

Profesor Bagiński jest autorem publikacji na temat komórek kambialnych, znacznie później nazwanych komórkami macierzystymi (stem cells), oraz twórcą niewielkiego podręcznika embriologii przeznaczonego dla studentów medycyny (rycina 1-9).

Profesor Mieczysław Konopacki (1880–1939), wywodzący się ze lwowskiej szkoły światowej sławy profesora Władysława Szymonowicza, kierował Katedrą Histologii i Embriologii na Uniwersytecie Warszawskim (zginął w czasie bombardowania stolicy na początku wojny). Razem z żoną Bronisławą Konopacką (1884–1965) wprowadził techniki histochemiczne w badaniach embriologicznych.

Rycina 1-9

Profesor Stefan Bagiński (1892–1969) oraz strona tytułowa jego podręcznika.

W roku 1945 Katedrę Histologii i Embriologii Wydziału Lekarskiego Uniwersytetu Warszawskiego (a następnie Akademii Medycznej) objął profesor Juliusz Zweibaum. Jego następcą został profesor Kazimierz Ostrowski (1921–2010), który kierował katedrą w latach 1956–1992. Profesor Ostrowski wykształcił po 1945 roku w Warszawie najliczniejsze grono profesorów histologii i embriologii. Zapoczątkował badania nad indukowaną osteogenezą. Był autorem dwóch podręczników embriologii człowieka, tłumaczem dwóch kolejnych podręczników embriologicznych oraz redaktorem największego w XX wieku podręcznika „Histologia” z podrozdziałami poświęconymi organogenezie poszczególnych narządów człowieka.

Profesor Andrzej Krzysztof Tarkowski (1933–2016) urodził się w Warszawie. W 1955 roku ukończył studia na Wydziale Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytetu Warszawskiego i przez całą swą karierę zawodową był związany z tą uczelnią. W latach 1964–2003 kierował Zakładem Embriologii, a w latach 1972–1981 oraz 1987–2002 był dyrektorem Instytutu Zoologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Profesor Tarkowski był jednym z pionierów w świecie doświadczeń embriologicznych na ssakach (do połowy XX wieku embriologia eksperymentalna opierała się na badaniach zarodków płazów, ptaków i bezkręgowców morskich – głównie jeżowców – organizmów cechujących się zapłodnieniem zewnętrznym, których zarodki są łatwo dostępne do obserwacji i manipulacji). Badania przeprowadzone w Warszawie oraz w różnych ośrodkach naukowych na świecie (między innymi bezpośrednio po doktoracie, w ramach stypendium Fundacji Rockefellera, w Zakładzie Zoologii Uniwersytetu Północnej Walii, pod kierunkiem profesora Francisa Williama Rogersa Brambella) już z zastosowaniem techniki hodowli in vitro, a wykonane na 8-komórkowym zarodku myszy, doprowadziły do sformułowania hipotezy znanej jako outside-inside hypothesis. Według tej koncepcji losy zarodka aż do stadium 8 blastomerów nie są zdeterminowane. O tym, które z nich utworzą węzeł zarodkowy (w przyszłości płód), a które trofoblast (w przyszłości łożysko), decydują mikrośrodowisko i położenie blastomerów: z tych ułożonych w środku powstanie zarodek, a z tych na obwodzie – trofoblast. Blastomer do stadium 8-komórkowego, wyizolowany z zarodka myszy i przeniesiony do macicy, może się rozwinąć w kompletny organizm.

Kolejnym pionierskim osiągnięciem profesora Tarkowskiego były chimery myszy uzyskane w wyniku połączenia (fuzji) dwóch różnych genetycznie zarodków 8-komórkowych. „Chimery” udało się Profesorowi uzyskać też w inny oryginalny sposób – poprzez transplantację komórek embrionalnych lub zarodkowych komórek macierzystych do jamy blastocysty. Organizmy chimerowe mają szerokie zastosowanie w badaniach genetycznych, immunologicznych, onkologicznych oraz w uzyskiwaniu zwierząt transgenicznych.

Rycina 1-10

Profesor Andrzej Krzysztof Tarkowski (1933–2016).

Profesor Tarkowski jako pierwszy w świecie dokonał zapłodnienia komórki jajowej myszy bez udziału plemnika. Zarodek partenogenetyczny powstał w wyniku zastosowania, jako stymulatora, impulsu elektrycznego i rozwijał się do stadium wczesnej organogenezy. Wyniki badań zostały opublikowane 11 kwietnia 1970 roku w „Nature”, a mikrofotografia 6-dniowej blastocysty znalazła się na stronie tytułowej tego najstarszego i najważniejszego czasopisma naukowego w świecie. Był to pierwszy artykuł Polaka w taki sposób wyróżniony przez redakcję. Badania nad zarodkami partenogenetycznymi przyczyniły się pośrednio do odkrycia fenomenu embriologicznego znanego jako imprinting (piętnowanie) genomu. W następnych latach profesor Tarkowski opublikował w „Nature” jeszcze trzy prace, które również miały fundamentalne znaczenie w embriologii doświadczalnej.

Profesor opracował metody prostej mikrochirurgii umożliwiające rozdzielanie blastomerów, fuzje fragmentów oocytów z blastomerami, a także z komórkami somatycznymi. Najważniejszym osiągnięciem tych badań było wykazanie, że jądra komórek somatycznych wprowadzone do komórki jajowej są zdolne do reaktywacji. Badania te miały fundamentalne znaczenie w klonowaniu ssaków, a technika fuzjowania za pomocą impulsu elektrycznego została po kilkunastu latach wykorzystana przez dr. Iana Wilmuta do stworzenia owcy Dolly.

Profesor Tarkowski, także jako pierwszy, wykorzystał wirus Sendai do fuzjowania komórek, co później stało się powszechną techniką w eksperymentach nad organizmami transgenicznymi. Ponadto opracował metodę badania chromosomów uzyskiwanych z zarodków przedimplantacyjnych (z blastomerów), która znalazła powszechne zastosowanie w przedimplantacyjnej diagnostyce prenatalnej. Jego imponujące dokonania naukowe stworzyły teoretyczne i praktyczne podstawy pod epokowe osiągnięcia biologii i medycyny XX wieku – zapłodnienie in vitro, zwierzęta transgeniczne, klonowanie, komórki macierzyste.

Profesor był członkiem Polskiej Akademii Nauk, Polskiej Akademii Umiejętności, Francuskiej Akademii Nauk, Academia Europaea, Amerykańskiej Akademii Nauk. Został doktorem honoris causa Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Medycznego w Łodzi. Był laureatem licznych prestiżowych nagród państwowych i międzynarodowych, między innymi Japan Prize, nagrody potocznie nazywanej „japońskim Noblem”. To wyróżnienie uzyskał w 2002 roku razem z dr Anne McLaren³, a w obszernym uzasadnieniu przyznania nagrody można przeczytać: „Without the pioneering work of Drs. McLaren and Tarkowski, modern biomedical sciences could not have existed”.

Uczniowie profesora Tarkowskiego zajmują prestiżowe stanowiska naukowe na całym świecie.

Profesor Tarkowski kierował się w życiu maksymą Pliniusza Starszego: Nulla dies sine linea. Pasjonował się fotografowaniem przyrody, a jego wystawy „Impresje botaniczne”, „Drzewo i drewno”, „Ziemia, po której stąpamy” można było zobaczyć w całej Polsce.

Profesor Zofia Bielańska-Osuchowska (1919–2017) urodziła się w Krakowie. W 1937 roku rozpoczęła studia na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu Jagiellońskiego, które – przerwane z powodu wojny – kontynuowała na Uniwersytecie Warszawskim. Na tejże uczelni w 1952 roku obroniła pracę magisterską w Zakładzie Cytologii Zwierząt (pod kierunkiem profesora Zygmunta Kraczkiewicza), a w 1958 roku uzyskała doktorat na Wydziale Biologii i Nauk o Ziemi. Po studiach przez krótki okres pracowała na stanowisku asystentki w Katedrze Zoologii Uniwersytetu Pedagogicznego w Warszawie. W 1953 roku rozpoczęła pracę w Katedrze Histologii i Embriologii Wydziału Weterynarii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie i w tej placówce naukowo-dydaktycznej pracowała aż do osiągnięcia wieku emerytalnego w 1990 roku. Była także wykładowczynią na Akademii Rolniczej w Krakowie. Wykładała też embriologię na Wydziale Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu w Mediolanie.

Rycina 1-11

Profesor Zofia Bielańska-Osuchowska (1919–2017) oraz strona tytułowa jej ostatniego dzieła.

Profesor Bielańska-Osuchowska zajmowała się różnymi problemami rozwoju zwierząt: ultrastrukturą i histochemią gonad świni w procesie rozwoju, procesem spermatogenezy u buhaja, a przede wszystkim budową mikroskopową i submikroskopową – na różnych etapach rozwoju – łożyska świni. Jest autorką podręcznika „Embriologia”, przeznaczonego głównie dla studentów i lekarzy weterynarii.

Profesor była imponująco aktywna naukowo w czasie swej długiej emerytury. W 2004 roku ukazał się Jej autorstwa „Zarys organogenezy”, bardzo nowoczesny podręcznik zawierający objaśnienia procesów rozwojowych na molekularnym poziomie. Opublikowała też kilka prac w „Postępach Biologii Komórki” (między innymi o komórkach grzebienia nerwowego, a już po 90. roku życia pracę na temat roli pozakomórkowych mikropęcherzyków w komunikacji międzykomórkowej). Jej ostatnie dzieło, poświęcone plemnikowi ssaka, nad którym pracowała przez kilka lat, ukazało się już po Jej śmierci, z pomocą redakcyjną Marka Tischnera.

Pełniła liczne funkcje: w latach 1964–1969 była prodziekanem ds. dydaktyki Wydziału Weterynaryjnego Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, była prezesem Polskiego Towarzystwa Anatomicznego, wiceprezesem i członkiem honorowym Polskiego Towarzystwa Histochemików i Cytochemików, wyróżnionym godnością Bene Meritus, oraz wieloletnią przewodniczącą Fundacji Biologii Komórki. W 1994 roku otrzymała tytuł doktora honoris causa Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie.

Była spokrewniona z profesorem Emilem Godlewskim Jr.Przypisy

1 Faktycznie jagnię Dolly urodziło się 5 lipca 1996 roku.

2 W XIX wieku wydano dwa podręczniki embriologiczne polskich autorów: „Zasady ogólne nauki o rozwoju zwierząt (embryologia)” Józefa Nusbauma-Hilarowicza i „Embryologię” Wacława Mayzla (tłumaczenie dzieła „Lehrbuch der vergleichenden Embryologie der Wirbelthiere” prof. dr. Samuela Leopolda Schenka z 1876 roku). Obszerny, dwutomowy podręcznik „Rozwój świata zwierzęcego. Embryologia ogólna” Józefa Nusbauma-Hilarowicza – profesora zoologii Wszechnicy Lwowskiej, którego tom I ukazał się w 1912 roku, a II w 1913, poświęcony był rozwojowi różnych gatunków zwierząt. Podręcznik niemieckiego autora dr. Roberta Bonneta został przetłumaczony przez Henryka Zagrodzińskiego – studenta medycyny Uniwersytetu Warszawskiego – i wydany w Warszawie w 1918 roku pt. „Rozwój zwierząt kręgowych i człowieka. Embryologia”.

3 Dr Anne McLaren (1927–2007) zajmowała się genetyką i biologią rozwoju zwierząt, pracowała w różnych instytutach w Edynburgu i Londynie. Jej osiągnięcia naukowe stworzyły podwaliny pod zapłodnienie in vitro. Była znaną w świecie inicjatorką i propagatorką tej metody prokreacji ludzi.

4 Zdaniem niektórych współczesnych autorów cykl spermatogenezy trwa 64 dni i dla poszczególnych komórek wynosi:

- spermatogonie – 16 dni,
- spermatocyty I rzędu – 8 dni,
- spermatocyty II rzędu – 16 dni,
- spermatydy – około 24 dni.