Laboratorium Rice University otrzymuje grant w wysokości 1,9 miliona dolarów na modelowanie rozwoju ludzkiej ektodermy

Wiele wad wrodzonych i spontanicznych poronień występuje na etapie rozwoju embrionalnego znanego jako neurulacja, ale mamy bardzo mały wgląd w to, jak ten krytyczny proces rozwojowy rozwija się u ludzi.

Laboratorium Rice University Aryeh Warmflash otrzymało pięcioletni grant w wysokości 1,9 miliona dolarów od National Institutes of Health na ulepszenie i opracowanie eksperymentalnych modeli komórek, które mogą rzucić światło na procesy samoregulacji, dzięki którym komórki ektodermalne dają początek ośrodkowemu układowi nerwowemu . Narządy, skóra i zmysły.

Laboratorium Warmflash użyje techniki zwanej mikrowzorami, aby kolonie komórek ektodermy samoorganizowały się i różnicowały w sposób odzwierciedlający rozwój embrionalny. Modyfikując komórki tak, aby wyrażały różne sygnały fluorescencyjne w oparciu o rodzaj sygnału białkowego, którego używają do komunikacji, naukowcy będą mogli śledzić i mierzyć zachowania samoregulacyjne komórek.

Badania mogą zaoferować sposoby zapobiegania lub przeciwdziałania wadom wrodzonym ośrodkowego układu nerwowego spowodowanym przez nieprawidłowy nerw.

Głównym pytaniem, które nas interesuje, jest to, co kieruje zachowaniem komórek do agregacji w tkance płodowej. „

Arieh Warmflash, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych i profilaktyki raka oraz instytutu badawczego w Teksasie

Aby zbadać to pytanie, Warmflash i współpracownicy wykorzystali technologię mikrowzorców i ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste do opracowania systemów samoregulacji, które reprezentują kluczowe procesy komórkowe zaangażowane w rozwój embrionalny.

„Mikrowzorce to tylko sposób na bardzo precyzyjne kontrolowanie geometrii, w której rosną te kolonie komórek” – powiedział TumorFlash. „Mikrotransfer pozwala nam zagruntować powierzchnię różnymi modyfikacjami chemicznymi, dzięki czemu możemy powiedzieć:„ Cóż, chcemy, aby komórki pozostały tutaj, a nie tam ”. „

W standardowej hodowli komórek macierzystych komórki rosną w grudki o różnych rozmiarach i losowo różnicują się w bardzo niezorganizowaną, heterogenną masę. Ale jeśli mikrowzorce są stosowane w celu zmniejszenia przypadkowego wzrostu, komórki zachowują się w uporządkowany sposób, który odzwierciedla zachowanie komórek w rzeczywistym zarodku.

„Rozwój ssaków jest procesem samoregulującym się” – powiedział Warmlach. „Oznacza to, że początkowo hodujesz tę kulę komórek, które mają całkowicie symetryczną strukturę, ponieważ wszystkie komórki w niej są zasadniczo takie same.

Są też organizmy, w których ta symetria jest już złamana.Na przykład, kiedy mucha matka robi jajo muchy, to jajo jest już asymetryczne: po prostu patrząc na nie, możesz powiedzieć, gdzie jest głowa itp.

„U płodu ssaka lub człowieka ta symetria na początku nie jest złamana. Ale w końcu płód musi zrozumieć, że” ta strona będzie głową, a ta tyłem „i tak dalej. Komórki muszą to złamać” same symetrie. Chcemy zrozumieć, jak to robią. ”

W zarodku komórki ektodermalne dzielą się na jedno z czterech „przeznaczeniy” komórkowych, takich jak układ nerwowy, grzebień nerwowy, skóra lub narządy zmysłów. Korzystając z mikrowzorców, Warmflash i jego zespół byli w stanie manipulować sygnałami wewnątrzkomórkowymi, aby dojść do rozmieszczenia przeznaczenia komórkowego w postaci tarczy, która naśladuje ektodermę wzdłuż osi środkowo-bocznej zarodka.

„Indukujemy komórki do różnicowania za pomocą sygnałów wzorcowych, a następnie wymyślają, jak się ułożyć” – powiedział Warmlach. Mówią: „Cóż, musimy stworzyć te cztery różne losy—; Neurony będą w centrum, a skóra na krawędzi, a inne losy będą pomiędzy. To oś od linii środkowej do boku, ale mniej więcej w tym samym czasie tworzy się inna oś, to jest oś od stóp do głów.

„Obecnie naprawdę nie ma dobrych modeli tego, jak u ludzi tworzy się oś od stóp do głów, która modeluje układ nerwowy w bardzo szerokich obszarach: przodomózgowiu, śródmózgowiu, tyłomózgowiu, a następnie rdzeniu kręgowym”.

Warmflash ma nadzieję dostroić system do projektu osi wzrostu od stóp do głów, „gdzie zamiast neuronów na skórze na krawędzi kolonii, centrum kolonii stanowiłyby neurony przodomózgowia i na krawędzi kolonii byłyby neurony rdzenia kręgowego”.

„Zamiast reprezentować różne typy ektodermy zorganizowanej wzdłuż osi środkowo-bocznej, kolonia reprezentowałaby układ nerwowy zorganizowany wzdłuż osi podłużnej struktury embrionalnej. Interesuje nas, w jaki sposób komórki komunikują się w tym celu”.

Oprócz tych dwuwymiarowych map komórkowych wzorców samoorganizacji, Warmflash ma nadzieję wykorzystać system modelowania mikrowzorców do badania morfologii, która wskazuje, w jaki sposób tkanki lub narządy zajmują przestrzeń i rozwijają swój specyficzny kształt.

„W tym modelu ektodermy można skłonić komórki do fałdowania się w trzecim wymiarze” – powiedział Tumor Flash. „I faktycznie zamykają się u góry w bardzo podobny sposób, jak cewa nerwowa zamyka się podczas rozwoju. Jesteśmy tym zainteresowani, ponieważ między komórkami są sygnały, które zmieniają typ komórki, którą się stają, a także wpływają na to, jak poruszają się i jak są rzeźbione w funkcjonującą tkankę”.

„Jest to potencjalnie istotne klinicznie, ponieważ wiele wad wrodzonych to w rzeczywistości wady zamknięcia cewy nerwowej”.

System modelowania można wykorzystać do badania mutacji, które powodują wady zamknięcia cewy nerwowej, otwierając możliwość odkrycia, jak zapobiegać takim zdarzeniom lub je leczyć.

„Tak naprawdę nie wiadomo, w jaki sposób pewne mutacje prowadzą do pewnych defektów” – powiedział Warmflash. „Ale to są rzeczy, które możemy badać w tych modelach, aby najpierw zrozumieć, jak rzeczy się psują, a następnie, miejmy nadzieję, dowiedzieć się, jak temu zapobiec”.