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Nat Methods:科学家利用空间几何模式首次实现人类胚胎干细胞的自我组装

来源:生物谷 2014-07-02 09:18

2014年7月2日 讯 /生物谷BIOON/ --近日,刊登在国际杂志Nature Methods上的一篇研究论文中,来自洛克菲勒大学的研究人员通过将人类胚胎干细胞固定在玻璃板狭窄的循环模型中,首次实现了在自然条件下促进干细胞进行自我组装。

研究者Ali Brivanlou教授表示,此前我们已经成功利用化学信号来诱导干细胞改变形状,但是该过程在实验室条件下一直没有实现,这项研究中我们在实验室条件下首次实现了让人类胚胎干细胞进行自我组装的过程。

在人类子宫中,人类胚胎干细胞可以接收来自周围组织层的化学信号以促进干细胞的增殖分化;这项研究中,研究者将胚胎干细胞置于一种特殊玻璃板的狭小循环模型中,这种特殊玻璃板用化学方法处理后可以形成显微模式来阻断干细胞向外扩张,当研究者将化学信号引入到狭小循环模型后,化学信号就会刺激干细胞开始形成原肠胚,研究者发现干细胞群可以按照一定的几何学模式来依次形成内胚层、中胚层及外胚层,而且当其处于自然条件下时其可以进行自我组装。

研究者表示,通过监测原肠胚形成过程中人类胚胎干细胞之间“交流”的特殊分子路径,我们就可以揭示对原始化学信号产生反应的特殊抑制信号如何阻断同一个干细胞群中的细胞进行相同的发育路径。

Warmflash博士说道,从基础层面来讲,这种新型模式可以反映出人类胚胎干细胞如何在一个可再生的空间位置中首次分化形成不同的细胞类群,如今我们就可以实时追踪单一的细胞来揭示是什么让其变得特殊,而且我们也可以揭示隐藏在其背后的特殊遗传过程。

这项研究对于生物学家们开发制造特殊的纯种细胞或者开发包含多种类型细胞的工程化组织具有直接的意义,研究者希望其研究将被用于临床疗法中,随着干细胞发育其往往具有强大的内在本质趋向,改变胚胎干细胞的空间几何学位置或许可以使其成为一种重要的工具来引发干细胞分化成为特殊类型的组织。(生物谷Bioon.com)

A method to recapitulate early embryonic spatial patterning in human embryonic stem cells

Aryeh Warmflash, Benoit Sorre, Fred Etoc, Eric D Siggia & Ali H Brivanlou

Embryos allocate cells to the three germ layers in a spatially ordered sequence. Human embryonic stem cells (hESCs) can generate the three germ layers in culture; however, differentiation is typically heterogeneous and spatially disordered. We show that geometric confinement is sufficient to trigger self-organized patterning in hESCs. In response to BMP4, colonies reproducibly differentiated to an outer trophectoderm-like ring, an inner ectodermal circle and a ring of mesendoderm expressing primitive-streak markers in between. Fates were defined relative to the boundary with a fixed length scale: small colonies corresponded to the outer layers of larger ones. Inhibitory signals limited the range of BMP4 signaling to the colony edge and induced a gradient of Activin-Nodal signaling that patterned mesendodermal fates. These results demonstrate that the intrinsic tendency of stem cells to make patterns can be harnessed by controlling colony geometries and provide a quantitative assay for studying paracrine signaling in early development.

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