Mänskliga embryonala stamceller kan vägledas till att bli föregångaren till centrala nervsystemet, forskning som leds av University of Michigan har visat.

Den nya studien avslöjar också den viktiga roll som mekaniska signaler spelar i utvecklingen av det mänskliga nervsystemet.

Medan du studerar embryonisk utveckling med hjälp av djurembryon kan ge användbar insikt om vad som händer under mänsklig utveckling, mänskliga embryon växer annorlunda även i detta tidiga skede.

"Det finns ett kritiskt behov av att upprätta embryonala utvecklingsmodeller med hjälp av mänskliga celler. Inte bara kunde de främja vår grundläggande förståelse av mänsklig utveckling, de är också viktiga för regenerativ medicin och för att testa säkerheten för läkemedel och kemikalier som gravida kvinnor kan behöva eller stöta på, "sa Jianping Fu, docent i maskinteknik, som har övervakat forskningen.

"För första gången, vi kan använda mänskliga embryonala stamceller för att utveckla en syntetisk modell för neuroektodermmönster, den embryonala händelse som börjar bildandet av hjärnan och ryggmärgen i det mänskliga embryot. "

I människor, cellerna som senare kommer att differentieras till centrala nervsystemet (inklusive hjärnan och ryggmärgen) är kända som neuralplattan, medan de som står mellan neuralplattan och framtida hudceller kallas neuralplattgränsen. Den neurala plattan fälls in på sig själv cirka 28 dagar efter befruktningen, blir neuralröret, och gränsen på vardera sidan av den smälter samman längs dess längd. När neuralröret inte stänger ordentligt, det leder vanligtvis till förlamning eller död.

"De exakta orsakerna till neuralrörsdefekter är inte klara, och det finns för närvarande inget botemedel mot dem. Miljöfaktorer, som vissa droger gravida kvinnor tar, kan spela roll för att orsaka neuralrörsdefekter, "Sa Fu.

I den nya studien, Fus forskargrupp ordnade mänskliga embryonala stamceller i cirkulära cellkolonier med definierade former och storlekar. Cellerna exponerades sedan för kemikalier som är kända för att locka dem att differentieras till neurala celler. Under differentieringsprocessen, celler i cirkulära kolonier organiserade sig med neurala plattceller i mitten och neurala platta gränsceller i en ring runt utsidan.

"Eftersom alla celler i en mikropatronerad koloni befinner sig i samma kemiska miljö, det är fantastiskt att se cellerna autonomt differentiera till olika celler och organisera sig i ett flercelligt mönster som efterliknar mänsklig utveckling, "sa Xufeng Xue, en doktorand i maskinteknik som arbetar i Fu's forskargrupp. Xue är en av författarna till tidningen.

Fus team observerade att celler i den cirkulära kolonin blev tätare packade mitt i kolonin, där de blev neurala plattceller, mot kolonigränsen, där de blev neurala platta gränsceller. Misstänksamma mekaniska signaler kan påverka deras differentiering, de placerade enstaka mänskliga embryonala stamceller på självhäftande fläckar av olika storlekar.

I samma kemiska miljö, enstaka mänskliga embryonala stamceller som odlats på större fläckar började signalera händelser inom cellerna som drev dem mot att bli neurala plattgränsceller. Dessa signalhändelser inhiberades i stamceller begränsade till mindre fläckar. Teamet utvecklade också ett system för att sträcka celler mitt i en koloni. Som svar på denna mekaniska signal, cellerna i mitten av en koloni differentierade till neurala platta gränsceller, snarare än de neurala plattcellerna i mitten av en vanlig koloni.

"Medan många nuvarande modeller tillskriver mönster av embryonala vävnader till kemiska gradienter eller cellmigration, våra resultat visar att dessa faktorer kanske inte är de enda drivkrafterna, "sa Yubing Sun, en tidigare doktorand i Fu's lab och nu assisterande professor i maskin- och industriteknik vid University of Massachusetts. Sun är en av författarna till tidningen.

Studien, betitlad, "Mekaniskt styrd embryonisk mönstring av neuroektodermvävnad från mänskliga pluripotenta stamceller, "publiceras i Naturmaterial .