实验模型让细胞表现得像在子宫内一样

许多出生缺陷和自然流产发生在称为神经形成的胚胎发育阶段，但我们对这一关键发育过程在人类中的展开方式知之甚少。

Aryeh Warmflash的莱斯大学实验室已获得国立卫生研究院 提供的为期五年、价值 190 万美元的资助，用于优化和开发实验细胞模型，以阐明外胚层细胞 产生中枢神经 细胞的自组织过程系统、皮肤和感觉器官。

Warmflash 实验室将 使用一种称为微图案化的技术 ，使外胚层细胞集落以反映胚胎发育的方式进行自我组织和分化。通过设计细胞以根据它们用于交流的蛋白质信号类型表达不同的荧光信号，科学家们将能够跟踪和量化细胞的自组织行为。

该研究可以为预防或抵消由异常神经形成引起的中枢神经系统出生缺陷提供信息。

“我们感兴趣的最基本的问题是什么引导细胞的行为组装到胚胎的组织中，”得克萨斯州学者生物科学和癌症预防研究所副教授 Warmflash 说 。

为了研究这个问题，Warmflash 和合作者使用微图案化和培养的人类 多能干 细胞 来开发自组织系统，模拟胚胎发生中涉及的关键细胞过程。

“微图案技术只是一种非常精确地控制这些细胞群生长的几何形状的方法，”Warmflash 说。“微图案化使我们能够用不同的化学修饰对表面进行预图案化，这样我们就可以说，‘好吧，我们希望细胞留在这里而不是那里。’”

在标准的干细胞培养中，细胞会长成不同大小的团块，并随机分化成杂乱无章、异质性极强的团块。但是，如果使用微图案来抑制随机生长，那么细胞就会以一种有组织的方式表现出来，这反映了实际胚胎中细胞的行为。

“哺乳动物的发育是一个自组织过程，”Warmflash 说。“这意味着，最初，你培养出一个完全对称结构的细胞球，因为其中的所有细胞基本上都是相同的。

“还有一些生物体的对称性已经被打破。例如，当苍蝇妈妈生下一个飞蛋时，那个蛋已经是不对称的了：看一眼就知道头在哪儿，等等。

“在哺乳动物或人类胚胎中，这种对称性最初是完整的。但最终，胚胎必须弄清楚“这边是头，这边是背”等等。细胞必须自己打破这种对称性。我们想了解他们是如何做到的。”

在胚胎中，外胚层细胞将自己分类为四种细胞“命运”之一，即神经系统、神经嵴、皮肤或感觉器官。通过微图案化，Warmflash 和他的团队能够操纵细胞内信号 ，从而获得牛眼图案中的细胞命运分布，该图案模拟沿胚胎内外轴的外胚层图案。

“我们用图案化信号诱导细胞分化，然后它们就会弄清楚如何自我排列，”Warmflash 说。“他们说，‘好吧，我们必须做出这四种不同的命运——神经元将处于中心，皮肤将处于边缘，其他命运介于两者之间。’ 那是中线到侧轴，但还有另一个轴大致同时形成，这是从头到脚的轴。

“现在，确实没有很好的模型来说明人类神经系统从头到脚的轴是如何形成的，这将神经系统划分为非常广泛的区域：前脑、中脑、后脑，然后 是脊髓”

Warmflash 希望对系统进行微调，以便对从头到脚的发育轴进行建模，“在这种情况下，细胞群的中心将是前脑神经元，而不是细胞群边缘的神经元与皮肤。集落将有脊髓神经元。

“而不是代表沿着内外轴排列的不同类型的外胚层，菌落将代表沿着胚胎结构的纵轴排列的神经系统。我们对细胞如何通过交流来做到这一点很感兴趣。”

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