Colonies en forme de disque illustrées par microscopie à contraste de phase (en haut) et à fluorescence (en bas). Entre le jour 3 et le jour 9, les cellules au centre de la colonie se développent plus rapidement et deviennent beaucoup plus denses. L'espace confiné pousse les cellules au centre de la colonie à devenir des cellules de la plaque neurale, alors que ces cellules à la frontière de la colonie (qui subissent moins de confinement) se différencient en cellules de la frontière de la plaque neurale. Crédits :Xufeng Xue, Laboratoire intégré de biosystèmes et biomécanique, Université du Michigan
Les cellules souches embryonnaires humaines peuvent être guidées pour devenir le tissu précurseur du système nerveux central, des recherches menées par l'Université du Michigan l'ont démontré.
La nouvelle étude révèle également le rôle important des signaux mécaniques dans le développement du système nerveux humain.
Alors que l'étude du développement embryonnaire à l'aide d'embryons animaux peut fournir des informations utiles sur ce qui se passe pendant le développement humain, les embryons humains se développent différemment même à ce stade précoce.
"Il existe un besoin critique d'établir des modèles de développement embryonnaire utilisant des cellules humaines. Non seulement pourraient-ils faire progresser notre compréhension fondamentale du développement humain, ils sont également essentiels pour la médecine régénérative et pour tester la sécurité des médicaments et des produits chimiques dont les femmes enceintes peuvent avoir besoin ou rencontrer, " dit Jianping Fu, professeur agrégé de génie mécanique, qui a supervisé la recherche.
"Pour la première fois, nous sommes capables d'utiliser des cellules souches embryonnaires humaines pour développer un modèle synthétique de structuration du neuroectoderme, l'événement embryonnaire qui commence la formation du cerveau et de la moelle épinière dans l'embryon humain."
Chez l'homme, les cellules qui se différencieront plus tard dans le système nerveux central (y compris le cerveau et la moelle épinière) sont connues sous le nom de plaque neurale, tandis que celles qui se situent entre la plaque neurale et les futures cellules de la peau sont appelées bordure de la plaque neurale. La plaque neurale se replie sur elle-même environ 28 jours après la conception, devenir le tube neural, et la frontière de chaque côté de celui-ci fusionne le long de sa longueur. Lorsque le tube neural ne se ferme pas correctement, il en résulte généralement une paralysie ou la mort.
Une colonie en forme de disque dans laquelle les cellules de la plaque neurale sont marquées par des étiquettes fluorescentes rouges, tandis que les cellules de bordure de la plaque neurale sont marquées de vert. La nouvelle étude suggère que les cellules souches embryonnaires humaines se différencient en cellules de plaque neurale ou de bordure de plaque neurale en partie sur la base des signaux physiques qu'elles perçoivent lors de la différenciation. Crédits :Xufeng Xue, Laboratoire intégré de biosystèmes et biomécanique, Université du Michigan
"Les causes exactes des anomalies du tube neural ne sont pas claires, et il n'y a actuellement aucun remède pour eux. Facteurs environnementaux, tels que certains médicaments que prennent les femmes enceintes, peut jouer un rôle dans l'apparition d'anomalies du tube neural, " dit Fu.
Dans la nouvelle étude, L'équipe de recherche de Fu a organisé des cellules souches embryonnaires humaines en colonies de cellules circulaires avec des formes et des tailles définies. Les cellules ont ensuite été exposées à des produits chimiques connus pour les amener à se différencier en cellules neurales. Au cours du processus de différenciation, les cellules en colonies circulaires se sont organisées avec des cellules de plaque neurale au milieu et des cellules de bordure de plaque neurale en un anneau autour de l'extérieur.
« Comme toutes les cellules d'une colonie à micromotifs se trouvent dans le même environnement chimique, c'est incroyable de voir les cellules se différencier de manière autonome en différentes cellules et s'organiser en un modèle multicellulaire qui imite le développement humain, " dit Xufeng Xue, un doctorant en génie mécanique travaillant dans le groupe de recherche de Fu. Xue est co-premier auteur de l'article.
L'équipe de Fu a observé que les cellules de la colonie circulaire devenaient plus denses au milieu de la colonie, où ils sont devenus des cellules de la plaque neurale, contre la frontière de la colonie, où ils sont devenus des cellules de bordure de plaque neurale. La suspicion de signaux mécaniques pourrait affecter leur différenciation, ils ont placé des cellules souches embryonnaires humaines uniques sur des points adhésifs de différentes tailles.
Dans le même environnement chimique, des cellules souches embryonnaires humaines uniques cultivées sur des points plus grands ont commencé à signaler des événements dans les cellules qui les ont conduites à devenir des cellules de bordure de plaque neurale. Ces événements de signalisation ont été inhibés dans les cellules souches confinées sur des points plus petits. L'équipe a également développé un système pour étirer les cellules au milieu d'une colonie. En réponse à ce signal mécanique, les cellules au milieu d'une colonie différenciées en cellules de bordure de plaque neurale, plutôt que les cellules de la plaque neurale au centre d'une colonie ordinaire.
"Alors que de nombreux modèles actuels attribuent la structuration des tissus embryonnaires à des gradients chimiques ou à la migration cellulaire, nos résultats montrent que ces facteurs peuvent ne pas être les seuls moteurs, " dit Yubing Sun, un ancien doctorant au laboratoire de Fu et maintenant professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l'Université du Massachusetts. Sun est co-premier auteur de l'article.
L'étude, titré, "Modélisation embryonnaire guidée par la mécanique du tissu neuroectodermique à partir de cellules souches pluripotentes humaines, " est publié dans Matériaux naturels .
