Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
Diese Studie nutzt die sci-Plex Einzelzell-Transkriptomik, um die Generierung von hämatogenen Endothelzellen aus murinen embryonalen Stammzellen zu optimieren, indem sie aufzeigt, wie die Dosierung und die zeitliche Integration der Activin- und BMP4-Signalwege die mesodermale Musterbildung und Zellschicksalsentscheidungen steuern.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In jedem sich entwickelnden Embryo findet ein stilles, präzises Gespräch zwischen den Zellen statt, das entscheidet, welche zur Muskulatur, welche zum Knochen und welche zum Blut werden wird, das das Leben erhält. Dieses Gespräch wird durch chemische Signale geführt, Moleküle, die wie Anweisungen wirken und einer Zelle sagen, wohin sie gehen und was sie werden soll. In den sehr frühen Stadien des Lebens muss eine bestimmte Gruppe von Zellen, bekannt als Stammzellen, sich in ein Gewebe namens Mesoderm verwandeln, das schließlich das Herz und das Blutsystem hervorbringt. Wissenschaftler wissen seit langem, dass die Konzentration dieser chemischen Signale entscheidend ist; zu viel eines Signals könnte eine Zelle dazu drängen, eine Herzzelle zu werden, während eine andere Menge sie dazu drängen könnte, Blut zu werden. Es war jedoch eine große Herausforderung, genau zu verstehen, wie sich diese Signale mischen und im Laufe der Zeit verändern, um die spezifischen blutbildenden Zellen zu erzeugen, die für einen gesunden Erwachsenen benötigt werden. Die Erzeugung dieser Blutzellen in einer Laborschale hat sich als schwierig erwiesen, da der Prozess so komplex ist und Forscher Schwierigkeiten hatten, die exakten Bedingungen nachzuahmen, die in einem lebenden Embryo herrschen.
Ein Team von Forschern des Fred Hutch Cancer Center und der University of Washington hat einen bedeutenden Schritt nach vorn gemacht, indem sie ein leistungsfähiges neues Werkzeug einsetzten, um diesen Prozess in Echtzeit zu beobachten. Sie arbeiteten mit Maus-Embryonalstammzellen, die in der Lage sind, sich in jeden Zelltyp des Körpers zu verwandeln. Anstatt eine chemische Bedingung nach der anderen zu testen, verwendeten sie eine Methode namens sci-Plex, die es ihnen ermöglichte, Tausende von Zellen gleichzeitig vielen verschiedenen Kombinationen von zwei Schlüssel-chemischen Signalen auszusetzen. Diese Signale sind als Activin und BMP4 bekannt. Durch die Anwendung eines breiten Spektrums an Stärken dieser beiden Signale auf die Stammzellen konnten die Forscher beobachten, wie die Zellen auf jede mögliche Mischung reagierten, wobei sie die Veränderungen auf der Ebene einzelner Zellen verfolgten. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, nicht nur das Endergebnis zu sehen, sondern die gesamte Reise, wie eine Stammzelle ihr Schicksal basierend auf der präzisen Menge und dem Timing der empfangenen Signale bestimmt.
Die Forscher entdeckten, dass das Timing und die Stärke dieser chemischen Signale entscheidend sind. Sie fanden heraus, dass sie die Stammzellen zu einem spezifischen Gewebetyp führen konnten, indem sie die Mengen von Activin und BMP4 anpassten, was dem Geschehen in einem lebenden Mausembryo entspricht. Wenn die Zellen hohen Mengen an Activin und einer moderaten Menge an BMP4 ausgesetzt waren, war die Wahrscheinlichkeit am größten, dass sie zu einem Gewebetyp namens Lateralplattenmesoderm wurden. Dieses Gewebe ist ein entscheidender Zwischenschritt, da es die Vorläufer für das hämatogene Endothel enthält, also spezielle Blutgefäßzellen, die die einzigartige Fähigkeit besitzen, sich in Blutzellen zu verwandeln. Die Studie zeigte, dass genau diese Kombination von Signalen, die zum richtigen Zeitpunkt in der Entwicklung der Zellen angewendet wurde, die höchste Anzahl dieser vielversprechenden Vorläuferzellen produzierte.
Weitere Untersuchungen ergaben, dass die in der Schale erzeugten Zellen den zwei verschiedenen Arten von blutbildenden Zellen in der Natur sehr ähnelten: jenen, die in der frühen Entwicklung im Dottersack erscheinen, und jenen, die sich im eigentlichen Embryo bilden, welche die Vorläufer der langlebigen Blutzellstammzellen bei Erwachsenen sind. Die Forscher waren in der Lage, zwischen diesen beiden Typen zu unterscheiden, indem sie auf spezifische Marker auf der Oberfläche der Zellen achteten. Sie fanden heraus, dass die Zellen, die dem Dottersack-Typ ähnelten, ein Protein namens LYVE1 exprimierten, während die Zellen, die dem Typ des inneren Embryos ähnelten, dies nicht taten. Diese Unterscheidung ist wichtig, da der Typ des inneren Embryos derjenige ist, der schließlich zur Entstehung von hämatopoetischen Stammzellen führt, dem Goldstandard für die Blutregeneration. Das Team testete auch, ob das Hinzufügen einer Substanz namens Retinsäure helfen könnte, die Zellen stärker in Richtung des reiferen, inneren-Embryo-Typs zu verschieben. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen dieser Substanz die Anzahl der dottersackähnlichen Zellen tatsächlich reduzierte und die Anzahl der inneren-embryo-ähnlichen Zellen erhöhte, was auf einen Weg hindeutet, diesen Prozess weiter zu verfeinern.
Trotz dieser Erfolge waren die Forscher vorsichtig darauf hinzuweisen, dass sie noch keine voll funktionsfähigen, langlebigen Blutzellstammzellen erzeugt hatten, die in eine Maus transplantiert werden könnten und unbegrenzt überleben würden. Während sie erfolgreich die frühen Vorläufer generiert und die Bedingungen zu deren Herstellung verbessert hatten, bleibt der letzte Schritt, diese Vorläufer in die robusten, selbst erneuernden Stammzellen zu verwandeln, die in der Natur vorkommen, eine Hürde. Die Studie hob hervor, dass bestimmte Gene, die als essenziell für diese endgültige Transformation in einem lebenden Embryo bekannt sind, in den in der Laborschale gezüchteten Zellen fehlten oder sehr niedrig ausgeprägt waren. Dies deutet daraufب hin, dass die Laborumgebung noch einige wichtige Bestandteile oder zeitliche Hinweise vermissen lässt, die in der natürlichen Umgebung vorhanden sind.
Der Wert dieser Arbeit liegt in der Karte, die sie bereitstellt. Durch die Verwendung der sci-Plex-Methode erstellten die Forscher einen detaillierten Leitfaden, der zeigt, wie unterschiedliche Dosen chemischer Signale die Zellentscheidungen beeinflussen. Diese Karte ermöglicht es Wissenschaftlern, die subtilen Unterschiede zwischen Zellen zu sehen, die ähnlich aussehen, aber unterschiedliche Bestimmungen haben. Sie bestätigt, dass der Weg zur Erzeugung von Blutzellstammzellen in einer Schale keine einzelne gerade Linie ist, sondern eine komplexe Landschaft, in der das Timing und die Stärke der Signale das Ergebnis bestimmen. Die Studie behauptet nicht, das Problem der Züchtung transplantierbarer Blutzellstammzellen gelöst zu haben, bietet aber einen klaren, datengestützten Fahrplan, wie man diesem Ziel näher kommen kann. Indem sie die präzisen Bedingungen verstehen, die die Erzeugung der richtigen Vorläuferzellen begünstigen, kann sich die zukünftige Forschung darauf konzentrieren, die fehlenden Teile einzufügen, um schließlich Blutzellstammzellen zu produzieren, die wirklich bereit für den klinischen Einsatz sind.
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