科学家哄骗人类胚胎干细胞组织

胚胎细胞开始分化后的42个小时，明显地分离为内胚层（红色），中胚层（蓝色）和外胚层（黑色）。研究人员说，在文化中实现这种模式的关键是在几何形状上限制殖民地。

洛克菲勒大学干细胞生物学和分子胚胎学实验室的科学家们利用几何学诱使人类胚胎干细胞进行自我组织。

受精大约七天后，在细胞团中发生了一些非凡的事情，这些细胞最终将成为新的人类。他们开始专业化。它们具有的特征开始暗示其最终命运，如皮肤，大脑，肌肉或人类中大约200种细胞中的任何一种的一部分，并且它们开始形成不同的层次。

尽管科学家们已经在动物中研究了这一过程，并试图通过向它们注入化学信号来诱使人类胚胎干细胞成形，但是直到现在，这一过程尚未在实验室中成功复制。但是，由洛克菲勒大学的干细胞生物学和分子胚胎学实验室主任，Robert和Harriet Heilbrunn教授，Ali Brivanlou领导的研究人员已经做到了，事实证明，缺少的成分是几何的，而不是化学的。

Brivanlou说：“了解这一刻发生的情况，当这种胚胎干细胞团的个体首次开始专门化并组织成层时，将成为利用再生医学前景的关键。”“这使我们更接近替换培养皿中生长的器官和伤口的可能性，这些器官可以迅速治愈。”

在子宫中，人类胚胎干细胞从周围组织接收化学信号，向它们发出信号以开始形成层-这一过程称为“胃成膜”。中心的细胞开始形成外胚层，胚胎的大脑和皮肤，而迁移到外部的细胞分别成为中胚层和内胚层，分别成为肌肉和血液以及许多主要器官。

Brivanlou和他的同事，包括博士后Aryeh Warmflash和Benoit Sorre以及Eric Siggia，Viola Ward Brinning和Elbert Calhoun Brinning教授以及理论凝聚态物理实验室负责人，将最初在洛克菲勒衍生的人类胚胎干细胞限制在微小的圆形图案中在经过化学处理以形成“微图案”的玻璃板上，可以防止菌落扩展到特定半径之外。当研究人员引入化学信号刺激细胞开始胃化时，他们发现以这种方式受到几何限制的菌落逐渐形成内胚层，中胚层和外胚层，并像在自然条件下一样开始自我组织。没有被限制的细胞没有。

通过监测人类细胞在胃泌乳过程中用来相互沟通以形成模式的特定分子途径（由于缺乏合适的实验室模型，这在以前是不可能的），研究人员还了解了如何响应最初的信号而产生特定的抑制信号。化学提示的作用是防止菌落内的所有细胞遵循相同的发育路径。

该研究于6月29日发表在《自然方法》上。

“从根本上讲，我们开发的新模型将探索人类胚胎干细胞如何像在胚胎中一样首先以非常可重复的空间顺序分化为单独的种群，” Warmflash说。“我们现在可以实时跟踪单个细胞，以找出使它们专门化的原因，并且我们可以开始询问有关该过程的潜在遗传学的问题。”

该研究也对生物学家产生直接影响，他们致力于创建“纯”的特定细胞或由多种细胞类型组成的工程组织用于医学治疗。“这些细胞在形成时具有形成图案的强大内在趋势，” Warmflash说。“改变菌落的几何形状可能是一个重要的工具，可用来指导干细胞形成特定的细胞类型或组织。”

出版物：Aryeh Warmflash等人，“一种概述人类胚胎干细胞中早期胚胎空间模式的方法”，《自然方法》（Nature Methods），2014年； doi：10.1038 / nmeth.3016

图像：洛克菲勒大学