Colonie a forma di disco mostrate al microscopio a contrasto di fase (in alto) e a fluorescenza (in basso). Tra il giorno 3 e il giorno 9, le cellule al centro della colonia crescono più velocemente e diventano molto più dense. Lo spazio confinato spinge le cellule al centro della colonia a diventare cellule della piastra neurale, mentre quelle cellule al confine della colonia (sperimentano meno confinamento) si differenziano in cellule del bordo della piastra neurale. Credito:Xufeng Xue, Laboratorio Integrato di Biosistemi e Biomeccanica, Università del Michigan
Le cellule staminali embrionali umane possono essere guidate per diventare il tessuto precursore del sistema nervoso centrale, lo ha dimostrato una ricerca condotta dall'Università del Michigan.
Il nuovo studio rivela anche l'importante ruolo dei segnali meccanici nello sviluppo del sistema nervoso umano.
Mentre lo studio dello sviluppo embrionale utilizzando embrioni animali può fornire utili spunti su ciò che accade durante lo sviluppo umano, gli embrioni umani crescono in modo diverso anche in questa fase iniziale.
"C'è un bisogno critico di stabilire modelli di sviluppo embrionale usando cellule umane. Non solo potrebbero far avanzare la nostra comprensione fondamentale dello sviluppo umano, sono anche essenziali per la medicina rigenerativa e per testare la sicurezza di farmaci e sostanze chimiche di cui le donne in gravidanza potrebbero aver bisogno o incontrare, " disse Jianping Fu, professore associato di ingegneria meccanica, che ha supervisionato la ricerca.
"Per la prima volta, siamo in grado di utilizzare cellule staminali embrionali umane per sviluppare un modello sintetico di patterning neuroectodermico, l'evento embrionale che inizia la formazione del cervello e del midollo spinale nell'embrione umano."
Negli umani, le cellule che in seguito si differenzieranno nel sistema nervoso centrale (compreso il cervello e il midollo spinale) sono note come placca neurale, mentre quelli che si trovano tra la piastra neurale e le future cellule della pelle sono chiamati bordo della piastra neurale. La placca neurale si ripiega su se stessa circa 28 giorni dopo il concepimento, diventando il tubo neurale, e il bordo su entrambi i lati si fonde insieme lungo la sua lunghezza. Quando il tubo neurale non si chiude correttamente, in genere si traduce in paralisi o morte.
Una colonia a forma di disco in cui le cellule della piastra neurale sono contrassegnate da etichette fluorescenti rosse, mentre le celle del bordo della piastra neurale sono contrassegnate con il verde. Il nuovo studio suggerisce che le cellule staminali embrionali umane si differenziano in cellule del bordo della piastra neurale o della piastra neurale basandosi in parte sui segnali fisici che percepiscono durante la differenziazione. Credito:Xufeng Xue, Laboratorio Integrato di Biosistemi e Biomeccanica, Università del Michigan
"Le cause esatte dei difetti del tubo neurale non sono chiare, e attualmente non esiste una cura per loro. Fattori ambientali, come alcuni farmaci che prendono le donne incinte, possono svolgere un ruolo nel causare difetti del tubo neurale, " disse Fu.
Nel nuovo studio, Il team di ricerca di Fu ha disposto le cellule staminali embrionali umane in colonie cellulari circolari con forme e dimensioni definite. Le cellule sono state quindi esposte a sostanze chimiche note per indurle a differenziarsi in cellule neurali. Durante il processo di differenziazione, le cellule in colonie circolari si sono organizzate con cellule della piastra neurale nel mezzo e cellule del bordo della piastra neurale in un anello intorno all'esterno.
"Poiché tutte le cellule di una colonia micromodellata si trovano nello stesso ambiente chimico, è incredibile vedere le cellule differenziarsi autonomamente in cellule diverse e organizzarsi in uno schema multicellulare che imita lo sviluppo umano, " disse Xufeng Xue, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica che lavora nel gruppo di ricerca di Fu. Xue è uno dei primi autori dell'articolo.
Il team di Fu ha osservato che le cellule della colonia circolare sono diventate più dense nel mezzo della colonia, dove sono diventati cellule della piastra neurale, contro il confine della colonia, dove sono diventati cellule del bordo della piastra neurale. Sospettare segnali meccanici potrebbe influenzare la loro differenziazione, hanno posizionato singole cellule staminali embrionali umane su punti adesivi di diverse dimensioni.
Nello stesso ambiente chimico, singole cellule staminali embrionali umane cresciute su punti più grandi hanno iniziato a segnalare eventi all'interno delle cellule che le hanno spinte a diventare cellule di confine della piastra neurale. Questi eventi di segnalazione sono stati inibiti nelle cellule staminali confinate in punti più piccoli. Il team ha anche sviluppato un sistema per allungare le cellule nel mezzo di una colonia. Rispondendo a questo segnale meccanico, le cellule nel mezzo di una colonia differenziate in cellule di bordo della piastra neurale, piuttosto che le cellule della piastra neurale al centro di una normale colonia.
"Mentre molti modelli attuali attribuiscono il patterning dei tessuti embrionali a gradienti chimici o migrazione cellulare, i nostri risultati mostrano che questi fattori potrebbero non essere gli unici driver, " ha detto Yubing Sun, un ex studente di dottorato nel laboratorio di Fu e ora assistente professore di ingegneria meccanica e industriale presso l'Università del Massachusetts. Sun è uno dei primi autori dell'articolo.
Lo studio, intitolato, "Modellazione embrionale guidata dalla meccanica del tessuto neuroectodermico da cellule staminali pluripotenti umane, " è pubblicato in Materiali della natura .
