Il nuovo modello 3D splende l'indicatore luminoso sugli aspetti chiave dello sviluppo iniziale

Da un punto di vista biologico, le fasi più iniziali di vita sono il più misterioso. Un embrione umano di sviluppo subisce un turbine di neve dei cambiamenti rapidi e questi cambiamenti sono eccessivamente difficili da studiare perché traspariscono entro i confini di un utero.

Ma con nuova tecnologia, potrebbe presto essere possibile colmare le lacune importanti nella nostra comprensione della gravidanza e dello sviluppo iniziali. Cellule staminali recentemente utilizzate degli scienziati di Rockefeller per creare un modello 3D dei tessuti embrionali in anticipo, permettendoli di simulare i trattamenti inerenti allo sviluppo come accadono nel tempo e nello spazio. I ricercatori sperano che questo strumento, di cui utilità che recentemente hanno dimostrato in un rapporto in biologia cellulare della natura, permetta più ulteriormente di delucidare i trattamenti che guidano la crescita embrionale ed infine piombo alle innovazioni che promuovono le gravidanze sane.

Dimensioni di sviluppo

Il concetto di usando le cellule staminali per modellare lo sviluppo embrionale iniziale in primo luogo è stato sviluppato in laboratori di Ali H. Brivanlou, il professore di Harriet e di Robert Heilbrunn ed Eric D. Siggia, il reparto Brinning della viola e professore di Elbert Calhoun Brinning, che hanno pubblicato la loro ricerca iniziale sull'argomento nel 2014. Malgrado la fabbricazione delle parecchie scoperte cruciali da allora, Brivanlou e Siggia hanno saputo che il suo sistema, per alcuni versi, è stato limitato: i modelli convenzionali della cellula staminale sono bidimensionali e non intraprendono la forma reale di un embrione, quindi proibendo i ricercatori dalla chiedere le questioni chiavi relative alla sua struttura.

Per esempio, gli scienziati sono altamente interessati nel trattamento tramite cui gli embrioni fissano all'utero--un primo punto cruciale ad una riuscita gravidanza. E secondo Mijo Simunovic, un collega minore di Simons nel laboratorio di Siggia, è praticamente impossible da studiare questo fenomeno complesso in un sistema bidimensionale.

“Il collegamento è inerentemente un problema 3D,„ dice.

Per affrontare questa emissione, Brivanlou, Siggia e Simunovic hanno usato un approccio interdisciplinare per sviluppare un modello 3D che simula un embrione umano approssimativamente quattordici-giorno-vecchio--la fase dello sviluppo durante cui una pietra miliare chiave dello sviluppo embrionale ha chiamato “la gastrulazione„ ha luogo.

“Abbiamo combinato parecchie tecniche--bioingegneria, fisica e biologia dello sviluppo--per creare questo modello,„ spiega Simunovic, che nota che questa ricerca non sarebbe stata possibile senza la collaborazione unica e di lunga durata fra i laboratori di Brivanlou e di Siggia. “Ora abbiamo un sistema 3D che imita non solo l'impronta digitale genetica dell'embrione, ma anche la sue forma e dimensione.„

Naturalmente, non è abbastanza per fare un modello che assomiglia semplicemente ad un embrione reale: deve anche agire come uno. Di conseguenza, i ricercatori esaminati se il loro sistema potrebbe simulare uno dei trattamenti più fondamentali nello sviluppo animale--un fenomeno conosciuto come la rottura di simmetria.

Rompendo simmetria, realizzante progressi

Nella sua fase più iniziale, un embrione comprende una sfera simmetrica le celle. Poi, dopo circa due settimane, questa simmetria comincia a scomparire mentre l'embrione intraprende le funzionalità distinte che staranno bene alle varie parti del corpo.

“Simmetria che rompe le unità quasi tutto che accada durante lo sviluppo embrionale,„ dice Simunovic. “Le nostre teste non assomigliano ai nostri piedi e quella è perché, ad un certo punto, l'embrione si rompe in due parti, anteriore e posteriore.„

Questa rottura è, infatti, la prima rottura di simmetria dell'asse del corpo che ha luogo durante lo sviluppo umano e trasparisce subito dopo il collegamento all'utero. Se i ricercatori potessero indurre una tal rottura nel loro modello, hanno ragionato, quindi saprebbero che il loro sistema ha emulato esattamente un embrione reale--almeno durante questo periodo chiave nel tempo inerente allo sviluppo.

A questo scopo, i ricercatori hanno esposto il loro modello ai segnali chimici che, nella gravidanza, sono rilasciati dalla placenta. Con una serie di esperimenti, hanno trovato che l'aggiunta di un prodotto chimico conosciuto come BMP4 richiede attendibilmente la rottura di simmetria.

Abbiamo aggiunto BMP4 e due giorni dopo una parte della cultura tridimensionale si è trasformata nel posteriore futuro e la parte opposta si è trasformata nel futuro anteriore.„

Mijo Simunovic, un collega minore di Simons nel laboratorio di Siggia

Questo risultato ha implicazioni oltre il delucidamento della chimica di un trattamento inerente allo sviluppo particolare. Ora che gli scienziati possono modellare con successo gli eventi embrionali in 3D, le estensioni di questa ricerca possono essere utilizzate negli studi futuri sulle complicazioni di gravidanza, quale il collegamento infruttuoso.

“Circa 50 - 75 per cento degli embrioni non fissano, creando un grave ostacolo enorme alla gravidanza,„ dice Simunovic. “Non sappiamo perché cioè ma usando questo modello possiamo potere scoprire.„

Questo sistema, note di Brivanlou, ha potuto anche essere usato per studiare le malattie innate. “Possiamo creare i modelli embrionali 3D delle circostanze genetiche e seguiamo il trattamento inerente allo sviluppo in tempo reale,„ dice. “Questi modelli possono definitivo avanzare la comprensione di una vasta gamma di malattie per cui corrente non abbiamo idea dove e quando le cose cominciano a andare male.„

Source:
Journal reference:

Simunovic, M. et al. (2019) A 3D model of a human epiblast reveals BMP4-driven symmetry breaking. Nature Cell Biology. doi.org/10.1038/s41556-019-0349-7.