Menselijke embryonale stamcellen kunnen worden geleid om het voorloperweefsel van het centrale zenuwstelsel te worden, onderzoek onder leiding van de Universiteit van Michigan heeft aangetoond.

De nieuwe studie onthult ook de belangrijke rol van mechanische signalen in de ontwikkeling van het menselijk zenuwstelsel.

Hoewel het bestuderen van embryonale ontwikkeling met behulp van dierlijke embryo's nuttige inzichten kan bieden over wat er gebeurt tijdens de menselijke ontwikkeling, menselijke embryo's groeien zelfs in dit vroege stadium anders.

"Er is een cruciale behoefte om embryonale ontwikkelingsmodellen vast te stellen met behulp van menselijke cellen. Niet alleen zouden ze ons fundamentele begrip van menselijke ontwikkeling kunnen bevorderen, ze zijn ook essentieel voor regeneratieve geneeskunde en voor het testen van de veiligheid van medicijnen en chemicaliën die zwangere vrouwen nodig kunnen hebben of tegenkomen, " zei Jianping Fu, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die het onderzoek heeft begeleid.

"Voor de eerste keer, we kunnen menselijke embryonale stamcellen gebruiken om een ​​synthetisch model van neuroectoderm-patroonvorming te ontwikkelen, de embryonale gebeurtenis die de vorming van de hersenen en het ruggenmerg in het menselijke embryo begint."

In mensen, de cellen die later zullen differentiëren tot het centrale zenuwstelsel (inclusief de hersenen en het ruggenmerg) staan ​​bekend als de neurale plaat, terwijl degenen die tussen de neurale plaat en toekomstige huidcellen staan, de neurale plaatgrens worden genoemd. De neurale plaat vouwt zich ongeveer 28 dagen na de conceptie op, de neurale buis worden, en de rand aan weerszijden ervan versmelt langs zijn lengte. Wanneer de neurale buis niet goed sluit, het resulteert meestal in verlamming of de dood.

"De exacte oorzaken van neurale buisdefecten zijn niet duidelijk, en er is momenteel geen remedie voor hen. Omgevingsfactoren, zoals bepaalde medicijnen die zwangere vrouwen gebruiken, kan een rol spelen bij het veroorzaken van neurale buisdefecten, ' zei Fu.

In de nieuwe studie Fu's onderzoeksteam rangschikte menselijke embryonale stamcellen in cirkelvormige celkolonies met gedefinieerde vormen en maten. De cellen werden vervolgens blootgesteld aan chemicaliën waarvan bekend is dat ze hen ertoe aanzetten zich te differentiëren tot neurale cellen. Tijdens het differentiatieproces cellen in cirkelvormige kolonies organiseerden zich met neurale plaatcellen in het midden en neurale plaatgrenscellen in een ring rond de buitenkant.

"Omdat alle cellen in een kolonie met micropatronen zich in dezelfde chemische omgeving bevinden, het is verbazingwekkend om te zien dat de cellen autonoom differentiëren in verschillende cellen en zichzelf organiseren in een meercellig patroon dat de menselijke ontwikkeling nabootst, " zei Xufeng Xue, een doctoraatsstudent werktuigbouwkunde die in de onderzoeksgroep van Fu werkt. Xue is een co-eerste auteur van het papier.

Fu's team merkte op dat cellen in de cirkelvormige kolonie dichter opeengepakt werden in het midden van de kolonie, waar ze neurale plaatcellen werden, tegen de koloniegrens, waar ze neurale plaatgrenscellen werden. Het vermoeden van mechanische signalen kan hun differentiatie beïnvloeden, ze plaatsten enkele menselijke embryonale stamcellen op klevende plekken van verschillende groottes.

In dezelfde chemische omgeving, enkele menselijke embryonale stamcellen die op grotere plekken waren gekweekt, begonnen gebeurtenissen in de cellen te signaleren die hen ertoe brachten neurale plaatgrenscellen te worden. Deze signaleringsgebeurtenissen werden geremd in stamcellen die op kleinere plekken waren opgesloten. Het team ontwikkelde ook een systeem om cellen in het midden van een kolonie op te rekken. Als reactie op dit mechanische signaal, de cellen in het midden van een kolonie differentiëren tot neurale plaatgrenscellen, in plaats van de neurale plaatcellen in het centrum van een gewone kolonie.

"Hoewel veel huidige modellen patronen van embryonale weefsels toeschrijven aan chemische gradiënten of celmigratie, onze resultaten laten zien dat deze factoren mogelijk niet de enige drijfveren zijn, " zei Yubing Sun, een voormalig doctoraatsstudent in Fu's lab en nu een assistent-professor mechanische en industriële techniek aan de Universiteit van Massachusetts. Sun is een co-eerste auteur van het papier.

De studie, getiteld, "Mechanica-geleide embryonale patronen van neuroectodermweefsel van menselijke pluripotente stamcellen, " is gepubliceerd in Natuurmaterialen .