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利用几何学诱导人胚胎干细胞自组织

2018-12-06 23:59:21

利用几何学诱导人胚胎干细胞自组织

生物通报道:在受精后七天左右,细胞团中会发生引入注目的变化,它们终将发育成一个人。这些细胞开始特化,它们具有一些特性,开始暗示自己终会成为皮肤、大脑、肌肉的一部分,或人体中存在的大约200种细胞类型中的任何一个,并且它们开始形成明显的胚层。

虽然科学家们已经在动物中研究了这个过程,并试图通过用化学信号充满它们,来诱导人胚胎干细胞成形,但是直到现在,这个过程都没有在实验室中被成功复制。然而近,美国洛克菲勒大学干细胞生物学和分子胚胎学实验室的Ali Brivanlou、Robert和Harriet Heilbrunn教授做到了这一点,他们发现,原来缺少的是几何成分,而不是化学成分。相关研究结果发表在2014年6月29日的国际权威学术期刊《Nature Methods》。

Brivanlou指出:“当这一团胚胎干细胞的每个成员都次开始特化,并自组织成为胚层时,了解在这一刻会发生什么,将是利用再生医学前景的一个关键。这大大提高了生长在培养皿中的替代器官和伤口可迅速愈合的可能性。”

在子宫中,人类胚胎干细胞接收来自周围组织的化学信号,这些信号会通知它们开始形成胚层,这个过程称为原肠胚形成。中部的细胞开始形成胚胎的外胚层、大脑和皮肤,而那些迁移到外部的细胞则形成中胚层和内胚层,注定成为肌肉和血液以及许多主要的器官。

Brivanlou和他的同事,包括博士后Aryeh Warmflash和Benoit Sorre以及Eric Siggia,将初在洛克菲勒大学获得的人胚胎干细胞限制在培养皿上的微小循环模式,这些细胞已经用化学方法处理,形成可阻止细胞集群扩展到特定半径范围以外的“微图案”。当研究人员引入化学信号刺激细胞开始原肠胚形成时,他们发现,以这种方式几何约束的细胞集群,继续形成内胚层、中胚层和外胚层,并像自然条件下那样开始自我组织。而没有这种几何约束的细胞则不能。

通过监测特定的分子途径(人类细胞用这些分子途径进行相互间的交流,形成原肠胚形成期间的模式)——在以前这些事情是不可能的,因为缺乏一个合适的实验模型,研究人员还了解到,特定抑制信号如何产生以响应初的化学线索功能,来防止细胞集群内的细胞都遵循相同的发展轨迹。

Warmflash称:“从根本上说,我们开发的是一种新模型,旨在探讨人类胚胎干细胞,如何以胚胎中那样一个非常可复制的空间秩序,首先分化为不同的群体。现在我们可以实时跟随每个细胞,以查明是什么使它们特化,我们就可以提出关于这个过程基本遗传学的问题。”

这项研究,对于致力于制备特定的“纯”细胞群的生物学家、多种类型细胞构成的工程化组织以及医学治疗应用,都具有直接的影响。Warmflash称:“在发育期间,这些细胞具有形成模式的强大内在倾向。改变细胞集群的几何形状,是一种重要的工具,可用于指导干细胞分化为特定类型的细胞或组织。”

(生物通:王英)

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