Un model de celule stem reproduce un embrion uman timpuriu cu structură asemănătoare sacului vitelin
Pentru prima dată, un model de celule stem a generat o structură similară cu un embrion uman timpuriu, având o structură asemănătoare sacului vitelin, dintr-o singură populație de celule stem, fără manipulare genetică directă.
Modelele au fost realizate la Universitatea din Michigan. Cercetătorii de la Academia Chineză de Științe au furnizat date despre embrioni de maimuță pentru a confirma că echipa din Michigan a observat cu adevărat o structură asemănătoare sacului vitelin în modelele lor.
„Conform cunoștințelor canonice despre dezvoltarea umană, sacul vitelin ar trebui să provină din celulele hipoblastice. Știm că sistemul nostru nu poate produce hipoblasturi sau derivatele acestora, așa că am crezut că nu putem observa o structură de sac vitelin”, a declarat Jianping Fu, profesor de inginerie mecanică la U-M și autor corespunzător al studiului publicat în Nature Cell Biology.
Cercetătorii au surprins imagini statice ale majorității etapelor de dezvoltare umană, dar acestea nu pot răspunde la multe întrebări legate de dezvoltarea umană. Cum apar diferitele celule și țesuturi în embrionul uman timpuriu? Ce molecule de semnalizare sunt implicate? Care gene sunt importante în timpul dezvoltării timpurii a omului? De ce atât de multe sarcini potențiale se încheie în primele săptămâni după fertilizare?
Pentru a înțelege mai bine dezvoltarea umană și a ajuta mai multe familii să aibă sarcini sănătoase, cercetătorii dezvoltă modele de celule stem pentru aceste săptămâni timpurii. Acest studiu a fost finanțat în principal de Universitatea din Michigan.
Sacul vitelin a fost dificil de replicat în modelele de celule stem pentru dezvoltarea umană. Embrionul timpuriu construiește această rezervă de energie în timp ce placenta este în construcție. Sacul vitelin este, de asemenea, organul care formează primul sistem circulator de sânge din organismul uman. Laboratoarele care au produs structuri asemănătoare sacului vitelin în modelele de celule stem au forțat celulele pe acest drum prin manipulare genetică.
Echipa condusă de Fu este cunoscută pentru utilizarea semnalelor mecanice pentru a ghida dezvoltarea asemănătoare embrionului în celulele stem pluripotente umane. Acest tip de celulă stem imită epiblasturile, celulele fundamentale care pot deveni orice țesut în organism. De data aceasta, Fu și echipa sa au încercat să recreeze gastrulația, proces în care celulele epiblastice din embrion încep să se organizeze în structura de bază a corpului și dau naștere rudimentelor organelor majore.
Echipa a modelat celulele stem pluripotente umane într-un singur strat, formând un disc cu un diametru de 0,8 milimetri. La începutul gastrulației, epiblastul din embrionul uman formează un disc de aproximativ aceeași dimensiune.
„Primul pas important în abordarea noastră este să stabilim constrângerea geometrică inițială pentru celulele stem. Acest model circular oferă constrângeri geometrice care promovează interacțiunea și autoorganizarea celulelor”, a spus Shiyu Sun, student la doctorat în inginerie mecanică la U-M și primul autor al studiului.
Pentru a iniția gastrulația, echipa a expus celulele la o moleculă de semnalizare numită BMP-4. Această moleculă este în mod normal produsă de un strat de celule care înconjoară embrionul în timpul dezvoltării umane normale, dar lipsește în starea inițială a acestui model. Sun a menționat și prezența altor molecule de semnalizare în mediul de cultură celulară, care ajută de asemenea la ghidarea transformării celulelor în diferite tipuri. Acest proces se numește diferențiere.
Echipa spera să vadă că discurile devin trei straturi groase, cu tipuri celulare distincte în fiecare strat, corespunzând aproximativ precursorilor corpului exterior și sistemului nervos, intestinului și țesuturilor intermediare. În embrion, acest lucru începe cu formarea „dârei primitive”, o structură care ajută la stabilirea axei cap-țop.
În modelele lor, celulele care au început să emită semnale pentru dâra primitivă nu erau organizate într-o linie. În schimb, celulele păreau să formeze cercuri concentrice, care apoi s-au aranjat într-un disc cu trei straturi.
Și nu a fost vorba doar despre disc. Pe partea superioară, unde s-au format precursorii părții exterioare a corpului și ai sistemului nervos, a apărut o cavitate căptușită cu celule amniotice – o structură asemănătoare începutului unui sac amniotic. Iar pe partea intestinală, a apărut structura asemănătoare sacului vitelin.
„A fost destul de surprinzător să găsim aceste structuri asemănătoare sacului vitelin”, a spus Sun. „La început, nu am crezut că este un sac vitelin.”
Sacul vitelin se consideră că provine din hipoblasturi, un set de celule care apar în mod normal alături de celulele epiblastice, mai degrabă decât să descindă din acestea. Până acum, cercetătorii nu știau că, în timpul gastrulației, celulele epiblastice au opțiuni suplimentare, fiind capabile să construiască structuri externe embrionului propriu-zis.
Pe măsură ce acele cavități au început să se formeze, culturile celulare 3D s-au detașat de plăci. Celulele au continuat să se dezvolte într-un mod asemănător embrionului la început, dar apoi au început să devină mai dezorganizate. Similaritatea cu embrionii umani a atins un vârf în ziua a opta a culturii celulare, imitând dezvoltarea umană la aproximativ 16-21 de zile după fertilizare. Aproximativ 15%-20% din culturi au format aceste structuri, în funcție de linia celulară, ceea ce este considerat foarte eficient în comparație cu modelele similare, afirmă cercetătorii.
Pentru a confirma observațiile legate de sacul vitelin, echipa din Michigan a colaborat cu colegi din China, care au acces la embrioni de maimuță post-implantare, pentru a verifica constatările din modelele lor. Împreună, au identificat un marker definit pentru dezvoltarea sacului vitelin: activarea genei HNF4A, asociată și cu dezvoltarea ficatului, rinichilor și intestinelor.
Echipa a utilizat urmărirea liniilor de descendență pentru a identifica calea prin care celulele epiblastice s-au transformat în celule de sac vitelin, descoperind că acestea au apărut într-adevăr prin gastrulație. Au realizat acest lucru prin inserarea unui fragment de cod genetic într-o genă care se activează în timpul gastrulației, făcând celulele să producă o proteină fluorescentă verde.
Deși utile pentru a arăta unele dintre dinamica dezvoltării umane, modelele nu pot crește mai departe. Chiar și la cel mai înalt nivel de organizare, cele trei straturi ale planului corporal erau mai groase decât în mod normal. De asemenea, modelul lipsește celulele trofoblaste, care formează placenta.
