Stammzellen in Form halten

Jeder fluoreszierendes Licht, aus denen die bunten Ringe in diesem Bild ist eine einzelne menschliche embryonale Zelle in den frühen Stadien der Entwicklung. Diese Zellen sind die Nachkommen von menschlichen embryonalen Stammzellen (ES) Zellen, die das Potenzial haben, eine der rund 200 Zelltypen des menschlichen Körpers werden.

Während der normalen Embryonalentwicklung ES Zelle Nachkommen spezialisieren, migrieren und organisieren in unterschiedlichen Schichten in einem Prozess namens Gastrulation. Diese Schichten dann gestalten und Falten in Strukturen, die zu verschiedenen Geweben, Organen und Gliedmaßen führen. Wissenschaftler versuchen zu verstehen, dass die molekulare Signale verantwortlich für frühen embryonalen Musterung konzentriert haben, auf der Suche nach der richtigen Mischung aus chemischen Signale, Wachstumsfaktoren genannt, würde, die um den Prozess im Labor die Replikation ermöglichen. Aber ein ganz anderen Ansatz durch ein Team der National Institutes of Health finanzierte Entwicklungs Biologen und Physiker an der Rockefeller University zeigt, dass ein kritisches Element geometrisch ist.

"Dank unserer vielfältigen wissenschaftlichen Perspektiven waren wir in der Lage zu erkennen, dass Geometrie ein wichtiger Faktor sein könnte", sagt Entwicklungsbiologe Ali Brivanlou, der das Team mit dem Physiker Eric Siggia. Ein ehemaliger Postdoktorand trainiert in der theoretischen Physik, Aryeh Warmflash spielte auch eine große Rolle.

Die Forscher wuchs Kolonien von humanen ES-Zellen in kleinen kreisförmigen Mustern bedruckt Glasplatten, die die Zellen beschränkt sich auf Bereiche genau kontrollierten Größe und Form gehalten. Verwendung von Individualsoftware und fluoreszierende Tags in verschiedenen Farben, die Wissenschaftler verfolgten einzelnen Zellen unter dem Mikroskop in Echtzeit. Wenn sie einen Wachstumsfaktor BMP-4 aufgerufen, um die Stammzellen ummauerten hinzugefügt, sahen sie die Zellen beginnen zu spezialisieren und organisierte Muster bilden, wie sie unter natürlichen Bedingungen würden. BMP-4-behandelten Zellen, die nicht beschränkt waren gebildet Zufallsmustern.

Die Größe der Kolonien war auch wichtig. ES-Zellen beschränkt sich auf Kreise Messung 1 Millimeter über — etwa die Größe und Form des Wochen alten menschlichen Embryos – in den drei wichtigsten» Keimzelle» Schichten bestimmt, verschiedenen menschlichen Zelltypen werden, sowie eine äußere Schicht der Zellen wie diejenigen, die die Plazenta organisiert. Zellen beschränkt sich auf kleinere Kreise gebildet weniger spezialisierte Schichten, und diejenigen in den kleinsten Kreisen bildeten nur eine einlagige von Germ. Aus diesen Beobachtungen zufolge das Team eine wichtige Möglichkeit ES-Zellen ihr Schicksal wissen ist durch die Berechnung ihrer Entfernung vom Rand der Kolonie. Mit Hilfe von mathematischen Modellen suchen die Forscher nun in genau, wie Zellen diese Messungen machen.

Ihre Follow-up-Studien von humanen ES-Zellen beschränkt sich auf Micropatterned Rechtecke, Quadrate und Dreiecke bestätigen, dass "die Reaktion einer Zelle auf einen bestimmten Wachstumsfaktor ist stark von der Geometrie beeinflusst, wie es um den Wachstumsfaktor selbst, ist", sagt Brivanlou.

Die Arbeit des Teams hat ein neues Fenster für das Studium der frühen Entwicklung eröffnet. Aufschluss über den Prozess könnte voraus Bemühungen um die Verwendung von menschlichen Stammzellen kranke Zellen zu ersetzen und regenerieren verloren oder Verletzte Körperteile, Brivanlou sagt. "Durch einfach unterschiedlicher Größe und Geometrie dieser Kreise, es wäre möglich, Stammzellen zu locken, in die Rolle von Zellen im Gehirn oder Herzzellen oder Zellen der Bauchspeicheldrüse," erklärt er.

Kein Fremder zu arbeiten interdisziplinär, Co Brivanlou lehrt einen innovative Architektur-Kurs über "dynamische Gebäude" von morgen, die in Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen oder andere Umstände, verwandeln könnte, wie biologische Systeme können gestalten. Seine Schüler verbringen 2 Wochen Experimente in seinem Labor zu tun, sagt er, "so dass sie mit ihren eigenen Augen zu schätzen wissen wie Natur Formen, Form ändern kann."

Die Forschung in diesem Artikel berichtet wurde teilweise durch die National Institutes of Health unter Stipendien, R01GM101653 und R01HD032105 finanziert.

This in Life Science-Artikel wurde bereitgestellt, um LiveScience in Zusammenarbeit mit der Nationales Institut der allgemeinen medizinischen Wissenschaften und ein Teil der National Institutes of Health .

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