Drei-dimensionale Modell beleuchtet die wichtigsten Aspekte der frühen Entwicklung

Von einem biologischen Standpunkt, den frühesten Stadien des Lebens sind die meisten geheimnisvoll. Eine Entwicklung des menschlichen Embryos durchläuft eine Flut von schnellen Veränderungen, und diese Veränderungen sind sehr schwer zu studieren, denn Sie geschehen innerhalb der Grenzen der Gebärmutter.

Aber mit neuer Technik könnte es bald möglich sein, füllen Sie wichtige Lücken in unserem Verständnis der frühen Schwangerschaft und Entwicklung. Rockefeller-Wissenschaftler kürzlich verwendeten Stammzellen zu erstellen, die ein 3D-Modell der frühen embryonalen Gewebe, so dass Sie simulieren Entwicklungsprozesse, wie Sie auftreten, in Raum und Zeit. Die Forscher hoffen, dass dieses tool, dessen nutzen Sie vor kurzem gezeigt, in einem Bericht in Nature Cell Biology, wird es möglich, zur weiteren Aufklärung der Prozesse führen, dass embryonale Wachstum und führen letztlich zu Innovationen, Förderung von gesunden Schwangerschaften.

Dimensionen der Entwicklung

Das Konzept der Verwendung von Stammzellen als Modell der frühen embryonalen Entwicklung wurde zuerst entwickelt in den Labors von Ali H. Brivanlou, der Robert-und Harriet-Heilbrunn Professor, und Eric D. Siggia, die Viola Gemeinde Brinning und Elbert Calhoun Brinning Professor, veröffentlichte Ihre ersten Recherchen zu dem Thema in 2014. Trotz mehrere wichtige Entdeckungen seit dieser Zeit, Brivanlou und Siggia wußte, daß sein system war in gewisser Hinsicht begrenzt: die herkömmlichen Stammzellen-Modelle sind zweidimensional und nicht auf die tatsächliche Form des Embryos, daher Verbot der Forscher von Fragen, wichtige Fragen in Bezug auf seine Struktur.

Zum Beispiel sind die Wissenschaftler sehr daran interessiert, den Prozess, durch den die Embryonen Anhängen der Gebärmutter — einen entscheidenden ersten Schritt zu einer erfolgreichen Schwangerschaft. Und nach Mijo Simunovic, ein Simons als Junior Fellow in Siggia ‚ s lab, ist es praktisch unmöglich, zu studieren, dieses komplexe Phänomen in einem zweidimensionalen system.

„Bindung ist von Natur aus ein 3D-problem“, sagt er.

Um dieses Problem zu beheben, Brivanlou, Siggia, und Simunovic verwendet einen interdisziplinären Ansatz zu entwickeln, ein 3D-Modell zu simulieren, ein etwa vierzehn-Tage-alten menschlichen embryo — Stadium der Entwicklung, während der ein wichtiger Meilenstein der embryonalen Entwicklung namens „gastrulation“ statt.

„Wir kombinieren verschiedene Techniken — Bioingenieurwesen, Physik und Entwicklungsbiologie –, um dieses Modell erstellen“, erklärt Simunovic, der stellt fest, dass diese Forschung nicht möglich gewesen wäre ohne die einzigartige, langjährige Zusammenarbeit zwischen der Siggia und Brivanlou labs. „Wir haben jetzt ein 3D-system, das imitiert nicht nur der embryo eine genetische Fingerabdruck, sondern auch seine Form und Größe.“

Natürlich, es ist nicht genug, um ein Modell, das einfach aussieht wie ein echter embryo: es müssen auch handeln wie einer. Entsprechend testeten die Forscher, ob Ihr system simulieren könnte eine der grundlegendsten Prozesse in der tierischen Entwicklung-ein Phänomen bekannt als Symmetriebrechung.

Brechen die Symmetrie, die Fortschritte machen

In seiner frühesten Phase, ein embryo besteht aus einem symmetrischen Bereich von Zellen. Dann, nach etwa zwei Wochen wird diese Symmetrie beginnt zu verschwinden, da der embryo nimmt auf verschiedene Funktionen, die zu verschiedenen teilen des Körpers.

„Symmetriebrechung fährt fast alles, was passiert, während der embryonalen Entwicklung“, sagt Simunovic. „Unsere Köpfe sehen nicht so aus wie unsere Füße, und das ist, weil, irgendwann, der embryo bricht in zwei Teile, den vorderen und hinteren.“

Dieser Bruch ist in der Tat, die erste Symmetriebrechung der Körperachse, die stattfindet, während der menschlichen Entwicklung, und es sickert nur nach der Befestigung an der Gebärmutter. Wenn die Forscher induzieren könnte solch ein Bruch in Ihrem Modell, dachten Sie, dann würden Sie wissen, dass Ihr system genau emuliert eine realen embryo-zumindest während dieser wichtigen Zeit in der Entwicklungs-Zeit.

Zu diesem Zweck haben die Forscher ausgesetzt, die Ihr Modell von chemischen Signalen, die in der Schwangerschaft, ausgelöst durch die Plazenta. Durch eine Reihe von Experimenten fanden Sie, dass die Zugabe einer Chemikalie bekannt als BMP4 zuverlässig aufgefordert, die Symmetrie zu brechen.

„Wir Hinzugefügt BMP4, und zwei Tage später einen Teil des drei-dimensionalen Kultur wurde die Zukunft posterior, und der entgegengesetzte Teil wurde die Zukunft anterior“, sagt Simunovic.

Dieses Ergebnis hat Konsequenzen, die über die Aufklärung der Chemie eines bestimmten Entwicklungsprozesses. Jetzt können Wissenschaftler erfolgreich das Modell der embryonalen Ereignisse in 3D-Erweiterungen, die diese Forschung kann verwendet werden, in zukünftigen Studien Komplikationen in der Schwangerschaft, wie erfolglosen Pfändung.

„Etwa 50 bis 75 Prozent der Embryonen nicht Anhängen, erstellen einen riesigen Engpass in der Schwangerschaft“, sagt Simunovic. „Wir wissen nicht, warum das so ist, aber mit diesem Modell können wir in der Lage sein, um es herauszufinden.“

Dieses system, Brivanlou Noten, könnte auch verwendet werden, um die Studie zu angeborenen Krankheiten. „Wir können das erstellen von 3D-embryonale Modelle von genetischen Bedingungen, und Folgen Sie den Entwicklungs-Prozess in Echtzeit“, sagt er. „Diese Modelle können schließlich Voraus für das Verständnis einer Vielzahl von Erkrankungen, für die wir derzeit keine Ahnung haben, wo und wenn die Dinge beginnen schief zu gehen.“