Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
Cette étude utilise la transcriptomique sur cellule unique sci-Plex pour optimiser la génération de cellules endothéliales hémogéniques à partir de cellules souches embryonnaires murines en révélant comment la dose et l'intégration temporelle des voies de signalisation de l'Activine et de la BMP4 régissent la structuration mésodermique et les décisions de destin cellulaire.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Au sein de chaque embryon en développement, une conversation silencieuse et précise a lieu entre les cellules, décidant laquelle deviendra du muscle, laquelle deviendra de l'os, et laquelle deviendra le sang qui soutient la vie. Cette conversation est menée par des signaux chimiques, des molécules qui agissent comme des instructions, disant à une cellule où aller et ce qu'elle doit devenir. Dans les tout premiers stades de la vie, un groupe spécifique de cellules connu sous le nom de cellules souches doit se transformer en un type de tissu appelé mésoderme, qui donnera plus tard naissance au cœur et au système sanguin. Les scientifiques savent depuis longtemps que la concentration de ces signaux chimiques est importante ; trop de signaux d'un certain type pourrait pousser une cellule à devenir une cellule cardiaque, tandis qu'une quantité différente pourrait la pousser à devenir du sang. Cependant, comprendre exactement comment ces signaux se mélangent et changent au fil du temps pour créer les cellules productrices de sang spécifiques nécessaires à un adulte en bonne santé a été un défi majeur. Créer ces cellules sanguines dans une boîte de Petri en laboratoire s'est avéré difficile car le processus est si complexe, et les chercheurs ont eu du mal à reproduire les conditions exactes présentes à l'intérieur d'un embryon vivant.
Une équipe de chercheurs du Fred Hutch Cancer Center et de l'Université de Washington a franchi une étape significative en utilisant un nouvel outil puissant pour observer ce processus se dérouler en temps réel. Ils ont travaillé avec des cellules souches embryonnaires de souris, qui sont capables de se transformer en n'importe quel type de cellule du corps. Au lieu de tester une condition chimique à la fois, ils ont utilisé une méthode appelée sci-Plex, qui leur permet d'exposer des milliers de cellules à de nombreuses combinaisons différentes de deux signaux chimiques clés. Ces signaux sont connus sous les noms d'Activine et de BMP4. En appliquant une large gamme d'intensités de ces deux signaux aux cellules souches, les chercheurs ont pu observer comment les cellules réagissaient à chaque mélange possible, en suivant leurs changements au niveau des cellules individuelles. Cette approche leur a permis de voir non seulement le résultat final, mais tout le voyage de la façon dont une cellule souche décide de son destin en fonction de la quantité précise et du moment des signaux qu'elle reçoit.
Les chercheurs ont découvert que le moment et la force de ces signaux chimiques sont critiques. Ils ont constaté qu'en ajustant les niveaux d'Activine et de BMP4, ils pouvaient guider les cellules souches pour qu'elles deviennent des types de tissus spécifiques qui imitent ce qui se passe dans un embryon de souris vivant. Lorsque les cellules étaient exposées à des niveaux élevés d'Activine et à une quantité modérée de BMP4, elles étaient les plus susceptibles de devenir un type de tissu appelé mésoderme latéral. Ce tissu est une étape cruciale car il contient les précurseurs de l'endothélium hémogénique, qui sont des cellules de vaisseaux sanguins spéciales possédant la capacité unique de se transformer en cellules sanguines. L'étude a montré que cette combinaison spécifique de signaux, appliquée au bon moment dans le développement des cellules, produisait le plus grand nombre de ces cellules précurseurs prometteuses.
Une investigation plus approfondie a révélé que les cellules générées en boîte ressemblaient étroitement à deux types différents de cellules productrices de sang trouvées dans la nature : celles qui apparaissent dans le sac vitellin au début du développement et celles qui se forment à l'intérieur de l'embryon proprement dit, qui sont les précurseurs des cellules souches sanguines durables présentes chez l'adulte. Les chercheurs ont pu distinguer ces deux types en observant des marqueurs spécifiques à la surface des cellules. Ils ont trouvé que les cellules ressemblant au type du sac vitellin exprimaient une protéine appelée LYVE1, tandis que les cellules ressemblant au type de l'intérieur de l'embryon n'exprimaient pas cette protéine. Cette distinction est importante car le type de l'intérieur de l'embryon est celui qui conduit finalement à la création des cellules souches hématopoïétiques, l'étalon d'or pour la régénération du sang. L'équipe a également testé si l'ajout d'une substance appelée acide rétinoïque pouvait aider à orienter les cellules vers le type plus mature de l'intérieur de l'embryon. Ils ont trouvé que l'ajout de cette substance réduisait effectivement le nombre de cellules de type sac vitellin et augmentait le nombre de cellules de type intérieur de l'embryon, suggérant un moyen d'affiner davantage le processus.
Malgré ces succès, les chercheurs ont pris soin de noter qu'ils n'avaient pas encore créé de cellules souches sanguines pleinement fonctionnelles et durables qui pourraient être transplantées dans une souris et survivre indéfiniment. Bien qu'ils aient réussi à générer les précurseurs précoces et à améliorer les conditions pour les produire, l'étape finale consistant à transformer ces précurseurs en cellules souches robustes et capables d'auto-renouvellement, telles qu'on les trouve dans la nature, reste un obstacle. L'étude souligne que certains gènes, connus pour être essentiels à cette transformation finale dans un embryon vivant, étaient absents ou très peu exprimés dans les cellules cultivées en laboratoire. Cela suggère que l'environnement de laboratoire manque encore de certains ingrédients clés ou de signaux temporels présents dans le cadre naturel.
La valeur de ce travail réside dans la carte qu'il fournit. En utilisant la méthode sci-Plex, les chercheurs ont créé un guide détaillé montrant exactement comment différentes doses de signaux chimiques influencent les décisions cellulaires. Cette carte permet aux scientifiques de voir les différences subtiles entre des cellules qui se ressemblent mais qui ont des destins différents. Elle confirme que le chemin vers la création de cellules souches sanguines en laboratoire n'est pas une ligne droite unique, mais un paysage complexe où le moment et la force des signaux déterminent le résultat. L'étude ne prétend pas avoir résolu le problème de la culture de cellules souches sanguines transplantables, mais elle offre une feuille de route claire et basée sur les données pour se rapprocher de cet objectif. En comprenant les conditions précises qui favorisent la création des bons types de cellules précurseurs, les recherches futures pourront se concenter sur le comblement des pièces manquantes pour, à terme, produire des cellules souches sanguines qui soient véritablement prêtes pour une utilisation clinique.
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