Stem Cell Research hinausgeht, Biologie


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Warum ist ein Ingenieur Studium Stammzellen? Dies ist eine Frage, die mir während meiner ersten dreieinhalb Jahre als Assistant Professor in der Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering an der Georgia Tech und Emory University routinemäßig gestellt hat. Die Antwort: das Feld der Stammzellforschung braucht Ingenieure, das Potenzial von Stammzellen in regenerative Therapien und neue Diagnosetechnologien für biologische sensing und pharmazeutischen Screening zu übersetzen.

Heute werden gespendeten Organen und Geweben verwendet, um Kranken oder verletzten Gewebe, sondern die Notwendigkeit zu ersetzen, für transplantierbaren Geweben und Organen weit überschreitet die verfügbare Menge. Stammzellen, gerichtet, sich in bestimmte Zelltypen differenzieren bieten die Möglichkeit, eine erneuerbare Energiequelle Ersatzzellen zur Behandlung von vielen chronischer und degenerativer Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer Krankheiten, Verletzungen des Rückenmarks, Schlaganfall, Herz-Kreislauferkrankungen, Diabetes, Arthrose, rheumatoide Arthritis, Muskeldystrophie und ALS (Lou Gehrig-Krankheit).

Das Potenzial von Stammzellen ist endlos – welches ist, warum ich immer mehr Interesse an der Rolle von Stammzellen in der regenerativen Medizin und Tissue Engineering wurde als ich das Ende meiner Doktorarbeit in Bioingenieurwesen an der University of Washington näherte. Durch meine Neugier tauchte ich mich in Biologie Stammzellenforschung während meiner Postdoc Fellowship in eine kardiale Pathologielabor, das auf Zellersatztherapien zur myokardialen Reparatur konzentriert.

Während meiner Postdoc-Stipendium würde ich oft feststellen, dass die Ergebnisse meiner Experimente dramatisch von Woche zu Woche unterschiedlich, obwohl ich die gleichen Verfahren für das Wachstum und Differenzierung der Zellen. Manchmal meine Kulturen enthalten viele spontan und rhythmisch schlagen Brennpunkte der differenzierenden Zellen (Nachweis der primitiven Herz Muskelbildung in einer Petrischale), aber andere Male ich angespannt, um einen einheitlichen Raum der Auftraggeber Zellen zu finden und ich blieb nachdenklich, "Was war diesmal anders?"

Als Ingenieur war ich gewohnt, Regelstrecken. Die fehlende Konsistenz begegnete ich häufig in meiner experimentellen Studien, während arbeiten in diesem Labor für Zell- und Molekularbiologie mir eine Menge Frustration verursacht. Allgemeine Trends und signifikante Unterschiede waren klar, aber die subtileren Veränderungen, die häufig auftreten, schien ging unentdeckt. Damals nahm ich die Grenzen der Systeme, die, denen wir mit gearbeitet haben, um mein Studium abgeschlossen und die Daten zu veröffentlichen, aber diese Erfahrungen geformt meine Ansichten und Visionen für die Zukunft.

Ich fing an Stammzellen Differenzierung Studien anders zu sehen. Während die meisten Ermittler Studium Stammzellen waren Wahl eine Zielbevölkerung Zelle a priori und konzentrieren ihre Ergebnis Einschätzungen ausschließlich auf ihre Fähigkeit, eine bestimmte Zelle Art von Interesse zu erhalten, war ich nicht. Jede Instanz des Scheiterns, Stammzellen zu einem bestimmten Zelltyp unterscheiden vertreten einen möglichen Erfolg in Zusammenhang mit anderen Zelltypen. Dieser "Glas halb voll" Perspektive schlug mir vor, globale Analysemethoden erforderlich sind, um wirklich zu begreifen, wie jeder eine Stammzelle unterscheidet. Auch, wenn eine Bevölkerung von Stammzellen beginnt am selben Ausgangspunkt, wie divergieren sie gleichzeitig in eine breite Palette von verschiedenen Zelltypen und was kann getan werden, um die Homogenität der Differenzierung zu verbessern?

Jetzt, wo ich ein unabhängiger Ermittler mit meinem eigenen Labor bin, versuche ich, diese Fragen durch verschiedene Forschungsprojekte. Ich möchte besser zu verstehen, dass die extrazelluläre Umwelt Cues, die Stammzell-Schicksal zu regulieren und entwickeln technische Ansätze, um diese Mechanismen zu einer besseren Kontrolle nutzen Zelldifferenzierung stammen.

Für ein Projekt werden wir untersuchen, wie verschiedene mischen Bedingungen zu modulieren, frühen embryonalen Stammzellen Engagement und spätere nachgelagerte Differenzierung. Dazu reichen wir eine Petrischale von embryonalen Stammzellen in Suspensionskultur mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, während sie zu unterscheiden sind. Wir untersuchen, wie verschiedene Geschwindigkeiten ändern Sie Größe, interne Morphologie und Genexpression in "Embryoid Bodies" – die dreidimensionale Klumpen von embryonalen Stammzellen in der Differenzierung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Gestaltung Bioreaktoren zu schütteln bei der optimalen Geschwindigkeit höhere Erträge der gewünschten Zelltypen aus embryonalen Stammzellen generieren konnte.

Ein weiteres Projekt haben wir ein Verfahren zur Steuerung der Präsentation der Moleküle innerhalb Aggregate von embryonalen Stammzellen, die Effizienz zu erhöhen und die Reinheit der Differenzierung entwickelt. Mit biologisch abbaubaren Mikrosphären, um die Moleküle zu veröffentlichen, können wir kontrollieren, wann und wo diese Faktoren die Stammzellen vorgelegt werden. Engineering der Beträge und Sequenzen von bestimmten Molekülen aus der Mikrosphären entlassen darf die Differenzierung zu einem bestimmten Zelltyp verweisen.

Wir prüfen auch die Moleküle, die embryonaler Stammzellen synthetisieren spontan während der Differenzierung zu sehen, ob sie Geweberegeneration im erwachsenen Organismus fördern können. Zu diesem Zweck entwickeln wir azelluläre Matrizen, enthält diese einzigartige Faktoren und bewerten ihre Fähigkeit zur Regeneration des Gewebes in einer Vielzahl von Umgebungen Wundheilung zu fördern. Diese Studien stellen eine neue Anwendung für Stammzellen, die große Auswirkungen haben könnte.

Alle diese Projekte helfen uns besser zu verstehen die Mechanismen Stammzell-Schicksal und schlagen neue Anwendungen für Stammzellen zur Regeneration von Gewebe zu stimulieren. Obwohl wir noch ungeklärte Unstimmigkeiten im Laufe unserer Studien erleben, denn viele unbekannte bleiben, ist die Zukunft hell für Stammzellforschung und insbesondere für Ingenieure dazu beitragen, das Potenzial von Stammzellen in tragfähige regenerative Therapien umzusetzen.

(McDevitt präsentiert seine Stammzellforschung am 9. April auf dem 235. amerikanische chemische Gesellschaft nationale treffen. Weitere Details zu seinem Vortrag finden Sie hier.)

  • Video: Orgel Reparatur
  • Top 10 geheimnisvolle Krankheiten
  • Was ist eine Stammzelle?

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die nationalen
Science Foundation (NSF), der Bundesagentur für grundlegende Finanzierung angeklagt
Forschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik.
Sehen, die hinter den Kulissen Archiv.

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