Eine von Dr. Shota Nakanoh in Zusammenarbeit zwischen dem Labor von Dr. Teresa Rayon am Institut und dem Labor von Professor Ludovic Vallier am Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute durchgeführte Forschung hat ergeben, dass der Grad der Zelldichte im frühen menschlichen Embryo Einfluss darauf hat, ob sich Zellen entwickeln als extraembryonale Zellen oder werden Teil des Embryos und führen schließlich zu Haut, Haaren und Nägeln.
Die Forschung ist veröffentlicht in der aktuellen Ausgabe von Wissenschaftliche Fortschritte.
Durch die Kombination der neuen Kulturmethode mit dreidimensionaler Kultur und Einzelzell-RNA-Sequenzanalyse nutzte Dr. Nakanoh, der leitende Forscher des Projekts, menschliche pluripotente Stammzellen (hPSC), um mehr darüber zu erfahren, wie Amnion- und Oberflächenektoderme in menschlichen Embryonen entstehen um die Gastrulation herum (etwa zwei Wochen nach der Befruchtung).
Das Geheimnis ähnlicher, aber unterschiedlicher Gewebe: Amnion- und Oberflächenektoderme
Das Amnion-Ektoderm ist eine einzelne Zellschicht, die die Membran bildet, die den sich entwickelnden Embryo umgibt. Es liefert auch wichtige Signale für die Entwicklung des menschlichen Embryos; Allerdings ist noch nicht vollständig geklärt, wie die Fruchtwassermembran beim Menschen entsteht.
Das Oberflächenektoderm ist eine dichte Schicht epidermaler Vorläuferzellen, aus der die Oberflächenbedeckung des Körpers, beispielsweise die Haut, und die damit verbundenen Merkmale wie Zähne, Haare und Fingernägel entstehen. Seine künstliche Herstellung ist von medizinischem Interesse, sodass die Technologien zu seiner Herstellung verbessert werden könnten.
Amnion- und Oberflächenektodermzellen sind in einem frühen Entwicklungsstadium spezialisiert und weisen weitgehend gemeinsame biologische Merkmale auf, beispielsweise Genexpressionsmuster und Signalanforderungen. Es war ein Rätsel, warum diese unterschiedlichen Gewebe so ähnlich sind und wie sie sich während der Entwicklung unterscheiden.
Zellüberfüllung beeinflusst die Zellidentität
Dr. Nakanoh passte die Kulturbedingungen für hPSCs an und stellte fest, dass die Nahrungsergänzungsmittel Activin A, BMP4, ein GSK3-beta-Inhibitor und ein MEK-Inhibitor ihre Differenzierung in Amnion-Ektoderm förderten. Mithilfe einer Co-Kulturtechnik zur Bildung von Zellaggregaten konnte er die Fähigkeit der erzeugten Amnion-Ektodermzellen bestätigen, die Gastrulation auszulösen. Außerdem deutete die Analyse der RNA-Sequenzierung einzelner Zellen auf den Differenzierungsweg für Amnion-Ektoderm hin, bei dem Oberflächen-Ektoderm-Gene vor der Aktivierung des Amnion-Ektoderm-Genprogramms exprimiert werden.
Der Vergleich der Genexpressionsdaten mit öffentlichen Daten von Primatenembryonen in vergleichbaren Entwicklungsstadien, durchgeführt mit der Expertise von Dr. Irina Mohorianu, Leiterin der Bioinformatik am CSCI, validierte die im Kultursystem erzeugten Zelltypen und zeigte ihre Ähnlichkeit mit den entsprechenden embryonale Gewebe. Darüber hinaus wurde der Entwicklungsweg vom Oberflächen-Ektoderm-Zustand zum Amnion-Ektoderm-Zustand auch bei Primatenembryonen beobachtet.
Dr. Nakanoh stellte vor allem fest, dass die Unterscheidung zwischen den beiden Zelltypen von der Zelldichte abhängt; wo Zellen unter spärlichen Bedingungen zu Fruchtwasser-Ektoderm werden. Im Gegensatz dazu führte die Kultivierung mit hoher Dichte zu Zellen, die Marker für Oberflächen-Ektoderm exprimierten, jedoch nicht für Amnion-Ektoderm. Diese Zellen konnten sich auch in einen nachgeschalteten epidermalen Zelltyp, Keratinozyten, differenzieren, die einen Schlüsselzelltyp in der Haut darstellen. Die Forscher testeten Variationen in den Kulturmedien, aber die Zelldichte war der einzige Faktor, der das Zellschicksal bei der Wahl zwischen Amnion-Ektoderm und Oberflächen-Ektoderm beeinflusste.
Das Forschungsteam fand außerdem heraus, dass das neue Kultursystem Zellen wie das extraembryonale Mesoderm produziert, das in menschlichen Embryonen noch nicht gut charakterisiert ist.
Dr. Shota Nakanoh, ein Postdoktorand im Rayon-Labor, sagte: „Amnion schützt den Embryo und liefert wichtige Entwicklungshinweise, während das Oberflächenektoderm einen wesentlichen Teil des erwachsenen Körpers ausmacht. Beide Zelltypen sind von großem klinischem Interesse und wichtige Elemente für.“ erfolgreiche In-vitro-Modelle für menschliche Embryonen. Obwohl es Protokolle gibt, um Zellen entweder in Fruchtwasser- oder Oberflächenektoderme zu differenzieren, konnten die Forscher keine klare Unterscheidung zwischen diesen Zelltypen treffen. Unsere Erkenntnisse über die Zelldichte als Schlüsselregulator schließen diese Wissenslücke und Dadurch können wir sicherer sein, die Zelltypen zu erzeugen, die uns interessieren.“
Indem sie diesen Zellverdrängungseffekt auf den sich entwickelnden menschlichen Embryo übertragen, schlagen die Forscher vor, wie diese ähnlichen Gewebe im Embryo vor der Gastrulation differenziert werden, wo das Amnion-Ektoderm als lockere Schicht mit einer relativ geringen Anzahl von Zellen entsteht, während das Oberflächen-Ektoderm als a gebildet wird kontinuierliche dichte Zellschicht.
Ermöglichung besserer Stammzellen-Embryomodelle
Eine Methode zur korrekten Spezifizierung der Amnionbildung ist wichtig, um die Entwicklung menschlicher Embryonen mithilfe stammzellbasierter Embryomodelle so genau wie möglich nachbilden zu können. Diese Modelle werden zunehmend verwendet, um die menschliche Entwicklung über die technischen und regulatorischen Grenzen hinaus zu erforschen, die der Forschung an menschlichen Embryonen unterliegen.
Dr. Rayon, Tenure-Track-Gruppenleiter im Epigenetik-Forschungsprogramm des Instituts, sagte: „Wir haben erst vor kurzem damit begonnen, die Entstehung von Amnion während der menschlichen Entwicklung zu erforschen. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis darüber, wie man extraembryonale Zellen im Labor erzeugt.“ in vitro und wirft Licht auf die Mechanismen, die die Bildung von Zelltypen in den Stadien vorantreiben, die der „Black Box“ der menschlichen Entwicklung entsprechen. Angesichts des wachsenden Interesses an der Verwendung von Stammzellen-Embryonenmodellen als Stellvertreter menschlicher Embryonen liefert diese Arbeit Folgendes mehr Wissen für die Generierung erfolgreicher integrierter Modelle.“
Prof. Vallier, jetzt Professor für Stammzellen in regenerativen Therapien am Berlin Institute of Health der Charité (BIH), fügte hinzu: „Unser Kultursystem erzeugt auch extraembryonales Mesoderm, ein weiteres Gewebe, das bei menschlichen Embryonen noch nicht gut untersucht wurde. Es wird bessere Ergebnisse liefern.“ Verständnis der menschlichen Entwicklung und könnte unser Wissen über Krankheiten verbessern, die sich auf die erste Phase des fötalen Lebens auswirken. Diese Arbeit öffnet auch die Tür für neue Studien über die Rolle der Zelldichte bei der Entscheidung über das Zellschicksal.“
Mehr Informationen:
Shota Nakanoh et al., Menschliches Oberflächen-Ektoderm und Amnion-Ektoderm werden nacheinander nach Zelldichte spezifiziert. Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adh7748