Forscher erstellen ein 3D-In-vitro-Modell, das die Ursprünge der menschlichen Wirbelsäule aufzeigt

Die Wirbelsäule ist bei allen Wirbeltieren das zentrale Stützgerüst des Skeletts. Es bietet nicht nur einen Platz für die Muskeln, sondern schützt auch das Rückenmark und die Nervenwurzeln. Defekte in seiner Entwicklung sind dafür bekannt, seltene Erbkrankheiten zu verursachen. Forscher der Ebisuya-Gruppe am EMBL Barcelona haben nun ein 3D erstellt in-vitro Modell, das nachahmt, wie sich die Vorläuferstrukturen der Wirbelsäule während der menschlichen Embryonalentwicklung bilden.

Die Wirbelsäule besteht aus 33 Wirbeln, die paarweise Vorläuferstrukturen bilden, die Somiten genannt werden. Somiten bilden nicht nur unsere Wirbel, sondern auch unsere Rippen und Skelettmuskeln. Um sicherzustellen, dass diese Strukturen korrekt gebildet werden, ist die Somitenentwicklung streng reguliert, und jedes Somitenpaar entsteht zu einem bestimmten sequentiellen Zeitpunkt in der Entwicklung. Dieser Prozess wird von der Segmentierungsuhr gesteuert, einer Gruppe von Genen, die oszillierende Wellen erzeugt, wobei jede Welle ein neues Somitenpaar hervorbringt.

„Zum ersten Mal konnten wir im Labor periodische Paare von menschlichen reifen Somiten erzeugen, die mit der Segmentierungsuhr verknüpft sind“, sagte Marina Sanaki-Matsumiya, Erstautorin der in veröffentlichten Studie Naturkommunikation. Mit diesem Ansatz entwickelten die Forscher ein 3D in-vitro Modell der menschlichen Somitenbildung, auch bekannt als “Somitogenese”.

Schaffung eines robusten Somitogenese-Prozesses

Das Team kultiviert menschlich induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) in Gegenwart eines Cocktails von Signalmolekülen, die die Zelldifferenzierung induzieren. Drei Tage später begannen sich die Zellen zu verlängern und bildeten vordere (oben) und hintere (unten) Achsen. An diesem Punkt fügten die Wissenschaftler der Kulturmischung Matrigel hinzu. Matrigel ist das, was manche Wissenschaftler das magische Pulver nennen: eine Proteinmischung, die für viele Entwicklungsprozesse entscheidend ist. Dieser Prozess führte schließlich zur Bildung von Somitoiden – in-vitro Äquivalente menschlicher Somiten-Vorläuferstrukturen.

Um zu testen, ob die Segmentierungsuhr die Somitogenese in diesen Somitoiden reguliert, überwachten die Forscher die Expressionsmuster von HES7, das an dem Prozess beteiligte Kerngen. Sie fanden deutliche Hinweise auf Oszillationen, insbesondere kurz vor Beginn der Somitogenese. Die sich bildenden Somiten wiesen auch deutliche Anzeichen für die Epithelisierung auf – ein wichtiger Schritt in ihrer Reifung.

Slass die größe aus

Die Ebisuya-Gruppe untersucht, wie und warum wir Menschen uns in der Embryonalentwicklung von anderen Spezies unterscheiden. Eines der Modellsysteme, die sie verwenden, um die Unterschiede zwischen den Arten zu verstehen, ist die Segmentierungsuhr. Im Jahr 2020 entdeckte die Gruppe, dass die Schwingungsdauer der menschlichen Segmentierungsuhr länger ist als die der Maus.

Die aktuelle Studie zeigt auch einen Zusammenhang zwischen der Größe der Somiten und der Segmentierungsuhr.

Die erzeugten Somiten hatten eine konstante Größe, unabhängig von der Anzahl der Zellen, die für den anfänglichen Somitoiden verwendet wurden. Die Somitengröße nahm nicht zu, selbst wenn die anfängliche Zellzahl dies tat. Dies deutet darauf hin, dass die Somiten eine bevorzugte artspezifische Größe haben, die möglicherweise durch lokale Zell-Zell-Interaktionen, die Segmentierungsuhr oder andere Mechanismen bestimmt wird.“

Marina Sanaki-Matsumiya, Erstautorin der Studie, Ebisuya Group, European Molecular Biology Laboratory

Um dies weiter zu untersuchen, planen Miki Ebisuya und ihre Gruppe nun, Somitoide verschiedener Arten zu züchten und zu vergleichen. Die Forscher arbeiten bereits an mehreren Säugetierarten, darunter Kaninchen, Rinder und Nashörner, und richten im Labor einen „Stammzellenzoo“ ein.

„Unser nächstes Projekt wird sich darauf konzentrieren, Somitoide aus verschiedenen Arten zu erzeugen, ihre Zellproliferation und Zellmigrationsgeschwindigkeit zu messen, um festzustellen, was und wie sich die Somitogenese zwischen den Arten unterscheidet“, sagte Ebisuya.

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Sanaki-Matsumiya, M., et al. (2022) Periodische Bildung von epithelialen Somiten aus humanen pluripotenten Stammzellen. Naturkommunikation. doi.org/10.1038/s41467-022-29967-1.

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