Colonias en forma de disco mostradas con microscopía de contraste de fase (arriba) y de fluorescencia (abajo). Entre el día 3 y el día 9, las células en el centro de la colonia crecen más rápido y se compactan mucho más densamente. El espacio confinado hace que las células en el centro de la colonia se conviertan en células de la placa neural, mientras que aquellas células en el borde de la colonia (que experimentan menos confinamiento) se diferencian en células del borde de la placa neural. Crédito:Xufeng Xue, Laboratorio Integrado de Biosistemas y Biomecánica, Universidad de Michigan
Las células madre embrionarias humanas pueden guiarse para que se conviertan en el tejido precursor del sistema nervioso central, La investigación dirigida por la Universidad de Michigan lo ha demostrado.
El nuevo estudio también revela el importante papel de las señales mecánicas en el desarrollo del sistema nervioso humano.
Si bien el estudio del desarrollo embrionario utilizando embriones de animales puede proporcionar información útil sobre lo que sucede durante el desarrollo humano, los embriones humanos crecen de manera diferente incluso en esta etapa temprana.
"Existe una necesidad crítica de establecer modelos de desarrollo embrionario utilizando células humanas. No solo podrían hacer avanzar nuestra comprensión fundamental del desarrollo humano, también son esenciales para la medicina regenerativa y para probar la seguridad de los medicamentos y productos químicos que las mujeres embarazadas pueden necesitar o encontrar, "dijo Jianping Fu, profesor asociado de ingeniería mecánica, quién ha estado supervisando la investigación.
"Por primera vez, podemos utilizar células madre embrionarias humanas para desarrollar un modelo sintético de patrones de neuroectodermo, el evento embrionario que inicia la formación del cerebro y la médula espinal en el embrión humano ".
Inhumanos, las células que luego se diferenciarán en el sistema nervioso central (incluido el cerebro y la médula espinal) se conocen como placa neural, mientras que los que se encuentran entre la placa neural y las futuras células de la piel se denominan borde de la placa neural. La placa neural se pliega sobre sí misma unos 28 días después de la concepción, convirtiéndose en el tubo neural, y el borde a cada lado se fusiona a lo largo de su longitud. Cuando el tubo neural no se cierra correctamente, típicamente resulta en parálisis o muerte.
Una colonia en forma de disco en la que las células de la placa neural están marcadas con etiquetas rojas fluorescentes, mientras que las células del borde de la placa neural están marcadas con verde. El nuevo estudio sugiere que las células madre embrionarias humanas se diferencian en células del borde de la placa neural o de la placa neural basándose en parte en las señales físicas que perciben mientras se diferencian. Crédito:Xufeng Xue, Laboratorio Integrado de Biosistemas y Biomecánica, Universidad de Michigan
"Las causas exactas de los defectos del tubo neural no están claras, y actualmente no existe cura para ellos. Factores medioambientales, como ciertos medicamentos que toman las mujeres embarazadas, puede desempeñar un papel en la causa de defectos del tubo neural, "Dijo Fu.
En el nuevo estudio, El equipo de investigación de Fu organizó células madre embrionarias humanas en colonias de células circulares con formas y tamaños definidos. Luego, las células se expusieron a sustancias químicas que se sabe que las inducen a diferenciarse en células neuronales. Durante el proceso de diferenciación, las células en colonias circulares se organizaron con células de la placa neural en el medio y células del borde de la placa neural en un anillo alrededor del exterior.
"Dado que todas las células de una colonia con micropatrones se encuentran en el mismo entorno químico, Es sorprendente ver que las células se diferencian de forma autónoma en diferentes células y se organizan en un patrón multicelular que imita el desarrollo humano. "dijo Xufeng Xue, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica que trabaja en el grupo de investigación de Fu. Xue es coautor del artículo.
El equipo de Fu observó que las células de la colonia circular se volvían más densamente empaquetadas en el medio de la colonia, donde se convirtieron en células de la placa neural, versus la frontera de la colonia, donde se convirtieron en células del borde de la placa neural. La sospecha de señales mecánicas puede afectar su diferenciación, colocaron células madre embrionarias humanas individuales en puntos adhesivos de diferentes tamaños.
En el mismo entorno químico, Las células madre embrionarias humanas individuales cultivadas en lugares más grandes comenzaron a señalar eventos dentro de las células que las llevaron a convertirse en células del borde de la placa neural. Estos eventos de señalización se inhibieron en células madre confinadas en puntos más pequeños. El equipo también desarrolló un sistema para estirar las células en medio de una colonia. Respondiendo a esta señal mecánica, las células en el medio de una colonia diferenciadas en células del borde de la placa neural, en lugar de las células de la placa neural en el centro de una colonia ordinaria.
"Si bien muchos modelos actuales atribuyen el patrón de los tejidos embrionarios a gradientes químicos o migración celular, Nuestros resultados muestran que estos factores pueden no ser los únicos impulsores, "dijo Yubing Sun, ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Fu y ahora profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en la Universidad de Massachusetts. Sun es coautor del artículo.
El estudio, noble, "Patrón embrionario guiado por la mecánica del tejido neuroectodermo de células madre pluripotentes humanas, "se publica en Materiales de la naturaleza .
