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在微流控芯片上培养胚胎干细胞

在微流控芯片上培养胚胎干细胞

毫无疑问,将人类胚胎用于生物和医学研究会带来许多伦理问题。诚然,在这些问题上我们要谨慎行事,但事实是,能够更准确地研究人类生物学将使许多科学受益。

 

其中一种解决办法是使用替代工具——科学家称之为体外模型。在构建体外模型上,成人组织是取得了一些进展,但在模拟人类胚胎早期发育过程时,情况变得复杂起来。

现在,EPFL生物工程研究所的科学家们已经从胚胎干细胞出发开始打造“体外胚胎”了。

 

EPFL教授Matthias Lütolf说:“在生物体构建组织时,一个棘手的问题是如何以适当的时机和剂量向培养中的细胞呈现关键的信号分子(也称为成形素,morphogens),只需将一组干细胞暴露于单一浓度的成形素中,就会导致无法控制的形态发生,因为这些细胞缺乏重要的指示。”

 

在发育中的胚胎,干细胞从所谓的“信号中心”所接收的成形素是在一个高度动态的区间范围。正是这样的梯度告诉干细胞要形成什么样的特殊细胞和组织。

 

为了实现这一环境,Lütolf实验室的Andrea Manfrin博士开发了一种将培养中的人类胚胎干细胞暴露于梯度浓度的成形素中,模拟原肠胚形成的现实条件的方法,在该阶段胚胎的细胞开始转化为不同的细胞类型和组织。

 

方法包括在一种具有小通道芯片的微流体装置中培养干细胞,可精确控制微量液体。研究人员一边在微流控芯片上培养干细胞,一边将其暴露于各种浓度梯度的成形素。

在微流控芯片上培养胚胎干细胞

结果令人印象深刻:细胞发育和组织成了不同类型的细胞域,这取决于它们所接触的浓度。科学家们报告说,他们能够成功地模拟原肠胚形成的各个方面,为在实验室以更可控的方式生长特定的人体组织铺平了道路。

 

Manfrin解释说:“我们假设,设计一个‘离体’人工信号中心可以让我们引导干细胞群体的自我组织达到预期效果。这对于实现组织和器官工程具有明显优势。”包括用于药物检测和再生医学的新工具。这项新技术还可以帮助科学家研究与发育生物学相关的过程,如原肠胚形成,并在某些研究领域提供动物实验的替代方法。

 

“我们的长期目标之一是为移植设计器官,”Lütolf说,他已经与洛桑大学医院等其他组织合作,用病人来源的细胞生成小型器官(类器官)。“我们离培养皿中的功能器官还很远,但干细胞生物学和生物工程的最新进展使我乐观地认为这可能成为现实。关键是要更好地了解细胞本身如何在胚胎中构建组织和器官”。

Funding

Horizon 2020 (“EPFL Fellows”), Canadian Institute of Health Research, SystemsX.ch Transition Postdoc Fellowship and StoNets, EU Framework 7 (Plurimes), Swiss National Science Foundation, ETH Board Personalized Health and Related Technologies Initiative, EPFL

 

References

Andrea Manfrin, Yoji Tabata, Eric R. Paquet, Ambroise R. Vuaridel, Fran?ois R. Rivest, Felix Naef, Matthias P. Lutolf. Engineered signaling centers for the spatially controlled patterning of human pluripotent stem cells. Nature Methods 27 June 2019. DOI: 10.1038/s41592-019-0455-2

 

原文链接:

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Author: Nik Papageorgiou

Source: Mediacom


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