Лаборатория Университета Райса получила грант в размере 1,9 млн долларов на моделирование развития эктодермы человека

Многие врожденные дефекты и спонтанные аборты происходят на стадии эмбрионального развития, известной как нейруляция, однако у нас очень мало понимания того, как этот критический процесс развития разворачивается у людей.

Лаборатория Арье Уормфлэша в Университете Райса получила пятилетний грант в размере 1,9 миллиона долларов от Национального института здравоохранения для оптимизации и разработки экспериментальных клеточных моделей, которые могут пролить свет на процессы самоорганизации, с помощью которых эктодермальные клетки дают начало центральной нервной системе. системы, кожи и органов чувств.

Лаборатория Warmflash будет использовать метод, называемый микропаттернированием, чтобы заставить колонии эктодермальных клеток самоорганизовываться и дифференцироваться способами, отражающими эмбриональное развитие. Спроектировав клетки для экспрессии различных флуоресцентных сигналов в зависимости от типа белкового сигнала, который они используют для связи, ученые смогут отслеживать и количественно оценивать самоорганизующееся поведение клеток.

Исследование может дать информацию о способах предотвращения или противодействия врожденным дефектам центральной нервной системы, возникающим в результате аномальной нейруляции.

Самый основной вопрос, который нас интересует, — это то, что направляет поведение клеток при сборке тканей эмбриона».

Арье Уормфлэш , доцент кафедры биологических наук и научно-исследовательского института профилактики рака Техасского университета.

Чтобы изучить этот вопрос, Warmflash и его сотрудники использовали микропаттернирование и культивировали плюрипотентные стволовые клетки человека для разработки самоорганизующихся систем, которые моделируют ключевые клеточные процессы, участвующие в эмбриогенезе.

«Технология создания микропаттернов — это просто способ очень точно контролировать геометрию, в которой растут эти колонии клеток», — сказал Уормфлэш. «Микропаттерн позволяет нам предварительно нанести на поверхность различные химические модификации, чтобы мы могли сказать: «Хорошо, мы хотим, чтобы клетки оставались здесь, а не там».

В стандартной культуре стволовых клеток клетки вырастают в скопления разных размеров и случайным образом дифференцируются в неорганизованную, чрезвычайно гетерогенную массу. Но если микропаттерн используется для сдерживания случайного роста, клетки ведут себя организованно, отражая поведение клеток реального эмбриона.

«Развитие млекопитающих — это самоорганизующийся процесс, — сказал Уормфлэш. «Это означает, что изначально вы выращиваете этот клубок клеток, который представляет собой идеально симметричную структуру, потому что все клетки в нем в основном одинаковы.

«Тогда есть организмы, в которых эта симметрия уже нарушена. Например, когда мама-муха делает яйцо мухи, это яйцо уже асимметрично: просто взглянув на него, вы можете узнать, где будет голова и т. д.

«У эмбриона млекопитающего или человека эта симметрия изначально не нарушена. Но, в конце концов, эмбрион должен выяснить, что «эта сторона будет головой, а эта будет спиной» и так далее. Клетки должны разрушаться. эту симметрию сами. Мы хотим понять, как они это делают».

У эмбриона эктодермальные клетки распределяются по одной из четырех клеточных «судьб»: нервная система, нервный гребень, кожа или органы чувств. С помощью микропаттерна Уормфлэш и его команда смогли манипулировать внутриклеточными сигналами, чтобы получить распределение клеточных судеб в виде мишени, имитирующей эктодермальный паттерн вдоль медиально-латеральной оси эмбриона.

«Мы побуждаем клетки дифференцироваться с помощью сигналов формирования паттернов, а затем они выясняют, как организовать себя», — сказал Уормфлэш. «Они говорят: «Хорошо, мы должны создать эти четыре разные судьбы — нейроны будут в центре, а кожа — на краю, а остальные судьбы — между ними». Это ось от средней линии к бокам, но примерно одновременно формируется другая ось, ось от головы до пят.

«В настоящее время действительно нет хороших моделей того, как у людей формируется ось нервной системы от головы до пят, которая разделяет нервную систему на очень широкие области: передний мозг, средний мозг, задний мозг, а затем спинной мозг. .”

Warmflash надеется точно настроить систему, чтобы смоделировать ось развития от головы до пят, «где вместо нейронов по сравнению с кожей на краю колонии центр колонии будет нейронами переднего мозга и к краю колонии будут нейроны спинного мозга.

«Вместо того, чтобы представлять различные типы эктодермы, расположенные вдоль медиально-латеральной оси, колония будет представлять нервную систему, расположенную вдоль продольной оси эмбриональной структуры. Нас интересует, как клетки общаются для этого».

В дополнение к этим двумерным картам клеточных паттернов самоорганизации, Warmflash надеется использовать систему моделирования микропаттернов для изучения морфогенеза, который относится к тому, как ткань или орган занимает пространство и развивает свою специфическую форму.

«В этой модели эктодермы вы можете заставить клетки свернуться в третьем измерении», — сказал Уормфлэш. «И они на самом деле закрываются сверху таким образом, что это очень похоже на то, как закрывается нервная трубка во время развития. как они двигаются и лепятся, чтобы на самом деле создать функционирующую ткань.

«Возможно, это очень важно с клинической точки зрения, потому что многие врожденные дефекты на самом деле являются дефектами закрытия нервной трубки».

Систему моделирования можно использовать для изучения мутаций, вызывающих дефекты закрытия нервной трубки, что открывает возможность выяснить, как предотвратить или исправить такие события.

«На самом деле неизвестно, как определенные мутации приводят к определенным дефектам», — сказал Уормфлэш. «Но это то, что мы можем изучить в этих моделях, чтобы, во-первых, понять, как что-то ломается, а затем, надеюсь, выяснить, как предотвратить это».