利用幾何學誘導人胚胎干細胞自組織
日期：2014-07-03 08:55:39
在受精后七天左右，細胞團中會發生引入注目的變化，它們最終將發育成一個人。這些細胞開始特化，它們具有一些特性，開始暗示自己最終會成為皮膚、大腦、肌肉的一部分，或人體中存在的大約200種細胞類型中的任何一個，并且它們開始形成明顯的胚層。
雖然科學家們已經在動物中研究了這個過程，并試圖通過用化學信號充滿它們，來誘導人胚胎干細胞成形，但是直到現在，這個過程都沒有在實驗室中被成功復制。然而最近，美國洛克菲勒大學干細胞生物學和分子胚胎學實驗室的Ali Brivanlou、Robert和Harriet Heilbrunn教授做到了這一點，他們發現，原來缺少的是幾何成分，而不是化學成分。相關研究結果發表在2014年6月29日的國際權威學術期刊《Nature Methods》。
Brivanlou指出：“當這一團胚胎干細胞的每個成員都第一次開始特化，并自組織成為胚層時，了解在這一刻會發生什么，將是利用再生醫學前景的一個關鍵。這大大提高了生長在培養皿中的替代器官和傷口可迅速愈合的可能性。”
在子宮中，人類胚胎干細胞接收來自周圍組織的化學信號，這些信號會通知它們開始形成胚層，這個過程稱為原腸胚形成。中部的細胞開始形成胚胎的外胚層、大腦和皮膚，而那些遷移到外部的細胞則形成中胚層和內胚層，注定成為肌肉和血液以及許多主要的器官。
Brivanlou和他的同事，包括博士后Aryeh Warmflash和Benoit Sorre以及Eric Siggia，將最初在洛克菲勒大學獲得的人胚胎干細胞限制在培養皿上的微小循環模式，這些細胞已經用化學方法處理，形成可阻止細胞集群擴展到特定半徑范圍以外的“微圖案”。當研究人員引入化學信號刺激細胞開始原腸胚形成時，他們發現，以這種方式幾何約束的細胞集群，繼續形成內胚層、中胚層和外胚層，并像自然條件下那樣開始自我組織。而沒有這種幾何約束的細胞則不能。
通過監測特定的分子途徑（人類細胞用這些分子途徑進行相互間的交流，形成原腸胚形成期間的模式）——在以前這些事情是不可能的，因為缺乏一個合適的實驗模型，研究人員還了解到，特定抑制信號如何產生以響應最初的化學線索功能，來防止細胞集群內的細胞都遵循相同的發展軌跡。
Warmflash稱：“從根本上說，我們開發的是一種新模型，旨在探討人類胚胎干細胞，如何以胚胎中那樣一個非常可復制的空間秩序，首先分化為不同的群體。現在我們可以實時跟隨每個細胞，以查明是什么使它們特化，我們就可以提出關于這個過程基本遺傳學的問題。”
這項研究，對于致力于制備特定的“純”細胞群的生物學家、多種類型細胞構成的工程化組織以及醫學治療應用，都具有直接的影響。Warmflash稱：“在發育期間，這些細胞具有形成模式的強大內在傾向。改變細胞集群的幾何形狀，是一種重要的工具，可用于指導干細胞分化為特定類型的細胞或組織。”
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