Модель стволовых клеток развития нервной системы человека
Изображение: Xufeng Xue, Integrated Biosystems and Biomechanics Laboratory, University of Michigan
Эмбриональные стволовые клетки человека можно ориентировать, чтобы они стали прекурсорной тканью центральной нервной системы, показали исследования, проведенные Мичиганским университетом.
В новом исследовании также раскрывается важная роль механических сигналов в развитии нервной системы человека.
Изучая эмбриональное развитие с использованием эмбрионов животных, можно получить полезную информацию о том, что происходит во время развития человека, человеческие эмбрионы растут по-разному даже на этом раннем этапе.
«Существует критическая потребность в создании эмбриональных моделей развития с использованием человеческих клеток. Они могут не только продвигать наше фундаментальное понимание человеческого развития, но также необходимы для регенеративной медицины и для проверки безопасности лекарств и химических веществ, которые могут понадобиться беременным женщинам или встретиться с ними , — сказал Цзяньпин Фу, который руководил исследованиями.
«Впервые мы можем использовать человеческие эмбриональные стволовые клетки для разработки синтетической модели нейроэктодермы, эмбрионального события, которое начинает формирование мозга и спинного мозга в человеческом эмбрионе».
У людей клетки, которые позже будут дифференцироваться в центральную нервную систему (включая мозг и спинной мозг), называются нервной пластиной, а те, которые стоят между нейронной пластиной и будущими клетками кожи, называются границей нервной пластины. Нервная пластина складывается сама по себе примерно через 28 дней после зачатия, становясь нейронной трубкой, а границы по обе стороны от нее соединяются вместе вдоль ее длины. Когда нервная трубка не закрывается должным образом, это обычно приводит к параличу или смерти.
«Точные причины дефектов нервной трубки не ясны, и в настоящее время нет лекарств для них. Факторы окружающей среды могут играть роль в возникновении дефектов нервной трубки», — сказал Фу.
В новом исследовании группа Фу организовала человеческие эмбриональные стволовые клетки в круглые клеточные колонии с определенными формами и размерами. Затем клетки подвергались воздействию химических веществ, которые, как известно, коаксировали их, чтобы дифференцироваться в нервные клетки. Во время процесса дифференциации клетки в круглых колониях организовывались с клетками нервной пластинки в срединной и нервной пластинках.
«Поскольку все клетки в микронаселенной колонии находятся в одной и той же химической среде, удивительно видеть, что клетки автономно дифференцируются в разные клетки и организуются в многоклеточный образ, который имитирует развитие человека», — сказал Сюфэн Сюэ, докторант, работающий в исследовательской группе Фу.
Команда ученых заметила, что клетки в круговой колонии стали более плотно распологаться в середине колонии, где они стали клетками нервной пластинки по сравнению с границей колоний, где они стали пограничными клетками нервной пластинки. Подозрительные механические сигналы могут повлиять на их дифференциацию, они помещают отдельные человеческие эмбриональные стволовые клетки на клейкие пятна разных размеров.
В одной и той же химической среде одиночные человеческие эмбриональные стволовые клетки, выращенные на больших участках, начали сигнализировать о событиях внутри клеток, которые побуждали их становиться пограничными клетками нервной пластинки. Эти сигнальные события были заблокированы в стволовых клетках, ограниченных на небольших участках. Команда также разработала систему для растягивания клеток в середине колонии. В ответ на этот механический сигнал клетки в середине колонии дифференцировались в периферические клетки нервной пластинки, а не клетки нервной пластинки в центре обычной колонии.
«В то время как многие современные модели связывают паттернирование эмбриональных тканей с химическими градиентами или миграцией клеток, наши результаты показывают, что эти факторы могут быть не единственными драйверами», — сказал Юбинг Сан, в настоящее время является доцентом механической и промышленной инженерии в Массачусетском университете.
Исследование, озаглавленное «Механически-эмбриональное паттернирование ткани нейроэктодермы из плюрипотентных стволовых клеток человека», опубликовано в Nature Materials.
Больше информации: Xufeng Xue et al. Mechanics-guided embryonic patterning of neuroectoderm tissue from human pluripotent stem cells, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0082-9