Insights în povestea a ochiului

Source: http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/hom/6644

Culturile de celule stem embrionare pot fi coaxed pentru a dezvolta spontan într-o retina matură, organizate în mod corespunzător

Deşi este bine stabilit faptul ca celulele stem embrionare (CES) au capacitatea de a dezvolta in orice tip de celule adulte din organism, misterele abundă în ceea ce priveşte procesul prin care diferenţiere a acestor celule este coordonată în timpul formării ţesuturilor complexe.

Ochiul, de exemplu, este un organ foarte sofisticat, format din mai multe straturi foarte bine organizate de subtipuri de celule specializate, care iniţial se dezvoltă dintr-un ţesut embrionar în mare măsură omogen cunoscut sub numele de ectoderm. Acest proces iniţiază cu formarea unei bule veziculelor-cum ar fi optic, care, ulterior, falduri din nou pe sine, pentru a forma "cupa optica" a două straturi, cu suprafaţa interioară care formează ţesutul senzoriale ale retinei neuronale şi suprafaţa exterioară care fac justificative ţesutului de epiteliului pigmentar retinei (EPR).

Cum acest lucru se întâmplă de fapt rămâne neclar şi controversat. "Una dintre ipoteze puternic a fost că invaginarea de la nivelul retinei este cauzata de impingerea de la obiectiv, care se invaginates din ectoderm suprafaţă", explică Yoshiki Sasai de la Centrul de Riken pentru Developmental Biology, Kobe. El adaugă că, deşi unele studii susţin această idee, alţii s-au dovedit ambigue sau contradictorii. Cu toate acestea, recenta cercetare de celule stem de la Sasai si colegii sai nu numai ca ofera perspective noi şi puternice în dezvoltarea retinei, dar oferă, de asemenea dovezi surprinzătoare în favoarea unei ipoteze alternative 1, propus iniţial peste 100 de ani în urmă.

Noţiuni de bază organizat

Figura 1: vezicule Optic, format de către CES cultivat peste nouă zile, în condiţii SFEB modificate, au fost supuse invaginarea să cedeze optic ceaşcă-ca structuri. Fluorescenţă verde indică faptul expresie a retinei specifice gena Rax în cupe optic. 

marire imagine

© 2011 Yoshiki Sasai

La rândul său, de 20 -lea secol, germană de dezvoltare biolog Hans Spemann, o legenda in domeniul embriologiei, descoperit dovezi care indică faptul că invaginarea a paharului optic şi formarea ulterioară lentilă apar spontan, fără nici o forţă externă. "Acest mecanism a fost în dezbatere de mai multe decenii din acel moment", spune Sasai.Folosind o strategie special concepute pentru cultivarea de CES mouse-ului, grupul său a oferit acum un sprijin vital pentru acest model, prin demonstrarea diferenţierea cu succes a unui retinei mouse-ului în mod corespunzător şi cu straturi structurate in vitro, în lipsa de drivere externe fizice.  

Sasai şi tehnica de colegii sai "a fost o adaptare a ser-free cultură a embryoid corpului cum ar fi agregate (SFEBq), o cultură sistem de celule pe care le-au dezvoltat anterior coaxial dezvoltarea de CES în straturi organizat de neuroni cerebrale corticale 2. "Retina este o alta structura clar stratificat, şi am încercat să vedem dacă am putea realiza o dezvoltare mai completă a structurilor stratificate care se aseamănă cu ţesutul post-natale din celule stem", explică Sasai.

După o săptămână în aceste condiţii de cultură îmbunătăţite, CES lor dezvoltat în sfere goale în interior de celule epiteliale neuroectoderm, precursori de tesut sistemului nervos, care încolţite ulterior in forma de cupola vezicule care exprimă retina specifice gena Rax.Pe parcursul următoarelor câteva zile, aceste vezicule spontan pliate spre interior pentru a forma structuri care se aseamănă îndeaproape cupa optic observate in dezvoltarea embrionara naturale (Fig. 1). Ambele aceste straturi nou formate au prezentat profile expresia genica potrivite omologii lor natural, cu nici o dovada pentru debutul de formare a cristalinului sau a altor influenţe ectodermale care ar putea reprezenta declanseaza fizic pentru acest proces de dezvoltare.

Prin observarea îndeaproape acest lucru in vitro formarea cupa cu un microscop optic puternic fluorescenta, cercetatorii au putut pentru a caracteriza detaliile de invaginarea în diferite stadii. Iniţial, vezicule optic constat exclusiv de un singur tip de celule epiteliale, ci ca la marginea exterioară a veziculelor aplatizate, indentate şi a suferit în cele din urmă invaginarea complet, celulele format subpopulaţii distincte, care, de asemenea, seamănă îndeaproape cu omologii lor de la nivelul retinei neuronale natural în curs de dezvoltare şi EPR.

Sasai si colegii sai au stabilit ca cea mai apropiată schimbările morfologice în vezicula par să apară din forţa de tracţiune generată de "motor de proteine", care acţionează în filamente microscopice in interiorul celulelor epiteliale crestarea. Aceste proteine ​​cu motor devenit mai puţin importantă ca veniturile invaginarea în serios; etape mai târziu în schimb par a fi alimentat de la o forţă de împingere generat de expansiune fizice şi proliferarea activă a celulelor in tesutul retinei în curs de dezvoltare.

Toate parte a programului

Figura 2: cultivate straturi neural retina dezvolte în structuri extrem de organizat compus din straturi distincte. Fluorescent pe etichetă se precizează fotoreceptori din stratul nuclear exterior (verde), celulele bipolare din stratul interior nucleare (roşu) şi stratul de celule ganglion (albastru). 

marire imagine

Reprodus de la Ref. 1 © Mototsugu Eiraku et al.

Pentru a investiga subspecialization suplimentară a celulelor neuronale strat retinei, cercetatorii au disecat lor ESC-derivate din cupe optice şi de cultură acest strat de celule independent. În termen de două săptămâni, aceste ţesuturi au dezvoltat în structurile extrem de stratificat compus dintr-o gamă variată de tipuri de celule extrem de specializate, fiecare dintre care a fost spaţial limitată la nivelul adecvat în cadrul structurii globale retinei neuronale (Fig. 2). În afară de unele diferenţe minore, cum ar fi o populaţie relativ redusă de fotoreceptori "con" color-sensing, aceste in vitro derivate de ţesuturi au fost în mare măsură imposibil de distins de a retinei mouse-ului post-natale.

În ciuda predicţiilor istoric Spemann a retinei auto-organizare, Sasai recunoaste ca el si colegii sai au fost surprinsi de măsura în care astfel de un organ complex se poate forma în absenţa unor orientări externe."Acest lucru înseamnă că celulele sortit să devină retinei au o ordine latentă, intrinseci, care le permite pentru a forma o astfel de structura tesutului elabora, urmând un program intern", spune el.

Studii suplimentare vor fi necesare pentru a determina dacă aceste retina ESC-derivate păstrează capacitatea deplină în ceea ce priveşte funcţionale de lumina-sensing si transmitere a semnalului, iar dacă acestea ar putea fi utilizate pentru a repara daunele retinei pe modele animale. În cazul în care trec aceste teste şi altele, astfel de ţesuturi de inginerie ar putea dovedi de nepreţuit ca material pentru transplant în tratamentul de o varietate de boli de ochi.

Acest lucru poate oferi, de asemenea, puncte de plecare utile pentru investigarea similare "programe interne", care ar putea sta la baza dezvoltarea autonomă a populaţiilor de celule stem în alte ţesuturi complexe, inclusiv structuri elaborate şi eterogene care cuprind creierul. "Suntem acum analiza mecanismul de auto-condus morfogeneză la nivel celular si molecular", spune Sasai, "iar noi sperăm în cele din urmă să includă aceste informaţii într-o simulare pe computer tridimensional."