Eine Einführung in die Stammzellbiologie

Developmental Biology

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Summary

Zellen, die in einer Vielzahl von Zelltypen, bekannt als Stammzellen differenzieren können stehen heute im Mittelpunkt eines der spannendsten Gebiete der Wissenschaft. Stem Cell Biologen arbeiten daran, die grundlegenden Mechanismen verstehen, die wie diese Funktion der Zellen zu regulieren. Diese Forscher sind auch interessiert an das bemerkenswerte Potenzial von Stammzellen zur Behandlung von Krankheiten des Menschen.

Jupiter stellt eine Einführung in die faszinierende Welt der Stammzellbiologie. Wir beginnen mit einer Zeitleiste Wahrzeichen Studien, von der ersten experimentellen Beweise für hämatopoetische Stammzellen in den 1960er Jahren, zu den letzten Durchbrüchen wie induzierte pluripotente Stammzellen. Nächste, wichtige Fragen über Stammzellbiologie eingeführt, zum Beispiel: Wie behalte diese Zellen ihre einzigartige Fähigkeit zur Selbsterneuerung zu unterziehen? Darauf folgt eine Diskussion einiger prominenter Methoden verwendet, um diese Fragen zu beantworten. Zu guter Letzt präsentieren wir einige Experimente veranschaulichen die Verwendung von Stammzellen in der regenerativen Medizin.

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JoVE Science Education Database. Grundlagen der Entwicklung Biologie. Eine Einführung in die Stammzellbiologie. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Wie ihr Name schon sagt, sind Stammzellen die Vorläufer, aus denen viele verschiedene Zelltypen "stammen." Sie zeichnen sich durch ihre Potenz oder die Fähigkeit, sich in Zellen aller drei Mikrobeschichten sowie ihre Erneuerbarkeit oder Kapazität mehr Stammzellen generieren differenzieren. Stammzellforscher arbeiten in der Hoffnung, die Felder der Entwicklungsbiologie und der regenerativen Medizin voran, um zu verstehen, wie diese einzigartige Zellen eine große Leistung zu erreichen.

Dieses Video umfasst wichtige Entdeckungen auf dem Gebiet der Stammzellbiologie, wichtige Fragen, die die Wissenschaftler in diesem Bereich, prominente Methoden von Stammzellforschern und Anwendungen der Stammzellforschung verwendet.

Nun, da wir die Stammzell-Konzept eingeführt haben, lassen Sie uns tauchen Sie ein in die reiche Geschichte der Stammzellforschung.

In den 1960er Jahren entdeckten DRS. Ernest McCulloch und James Till einige der ersten definitiven Beweis für die Existenz von hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark des Erwachsenen Säugetiere. Diese Zellen haben die Fähigkeit, selbst zu erneuern und multipotent, was bedeutet, dass sie in mehrere, aber beschränkt, Arten von Zellen, nämlich die Zellen aus dem Blut und Immunsystem zu unterscheiden sind.

Im Jahr 1988 perfektionierte Irving Weissman und Kollegen eine Methode zur Reinigung von hämatopoetischen Stammzellen aus Knochenmark Maus.

Im Jahr 1981 prägte Professor Gail Martin den Begriff "embryonale Stammzellen." Im Gegensatz zu hämatopoetischen Stammzellen sind embryonaler Stammzellen Pluripotent, mit der Fähigkeit, sich in alle Zelltypen des Körpers differenzieren. Sie und Wissenschaftler Martin Evans und Matthew Kaufman entwickelten gleichzeitig, aber separat, Methoden der inneren Zellmasse aus Maus Blastozysten und Kultur sie in Vitro als Stammzellen.

Im Jahr 1998 hat über zehn Jahre nach der Isolierung des embryonalen Stammzellen der Maus, Dr. James Thomson erfolgreich die ersten menschlichen embryonalen Stammzelllinien.

Im Jahr 2006 ereignete sich ein großer Durchbruch mit dem Aufkommen von induzierten pluripotenten Stammzellen als entwickelt durch Dr. Shinya Yamanaka. Aufbauend auf den Arbeiten von John Gurdon, entwickelte Yamanaka eine Methode zu programmieren, die differenzierte Zellen in einen pluripotenten Zustand mithilfe von Retroviren induzieren die Expression von einer kleinen Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die jetzt bekannt als die "Yamanaka Faktoren." Die resultierenden Zellen hießen "induzierten pluripotenten Stammzellen" oder "iPSCs." Diese Experimente galten so grundlegend wichtig, dass Yamanaka und Gurdon im Jahr 2012 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Zur Zeit haben wir jetzt iPSC Modelle von mehreren menschlichen Krankheiten und Regeneration Plattformen in mehreren Geweben.

Heute treibt Forschung an Stammzellen mehrere übergreifende Fragen.

Eines der wichtigsten dieser Fragen ist: wie Pflege Stammzellen Pluripotenz und Erneuerbarkeit? Es gibt zwei verwandte Eigenschaften der Stammzellen, die diese Eigenschaften zu verleihen. Zuerst unbedingt die Expression bestimmter Gene Stemness und Selbsterneuerung. Die zweite ist die Reaktionsfähigkeit von Stammzellen zu regulatorischen Faktoren, die die Expression dieser Gene beeinflussen.

Die nächste logische Frage ist: wie die Differenzierung von Stammzellen gerichtet ist? Wie entwickelt sich eine Stammzelle zu einer Reifen Zelle, induziert Aktivierung von spezifischen Differenzierung wegen Änderungen in der Genexpression, Stammzell-Gene ausschalten und Einschalten gewebespezifischen Gene, die Ergebnisse in die zunehmende Spezialisierung der Zellfunktion und Morphologie.

Schließlich lassen Sie uns Adresse die Hauptfrage fahren Stammzell-Forschungsförderung: können Stammzellen zur Behandlung von Krankheiten verwendet werden? Regenerativer Medizin ist die Bekämpfung dieser Frage in zweierlei Hinsicht: (1) durch nachwachsende Organe im Labor, und (2) durch die Bereitstellung von Stammzellen über Transplantation zur Behandlung von Gewebe Degeneration.

Nun, da wir die wichtigsten Fragen bezüglich Stammzellbiologie vorgestellt haben, gehen Sie wir über einige der prominenten Methoden verwendet, um sie zu lösen.

Microarray-Technologie kann eingesetzt werden, zu entdecken, welche Gene Potenz und Erneuerbarkeit in Stammzellen übertragen. Bei dieser Technik ist total RNA isoliert von einer Bevölkerung der Zellen, die wie eine Momentaufnahme der aktuellen Genexpression wirkt. In einer Reihe von Schritten ist dieser mRNA Eindringmittel markierte Sonde umgewandelt und auf einen Chip mit Abschriften des gesamten menschlichen Genoms hybridisiert. Scannen diesen Chip bietet eine Auslesen der relativen gen Expressionsprofile. Wie Sie sehen können, drückt eine Stammzelle einen bestimmten Satz von Genen, die sich aus einer differenzierten Zelle unterscheidet.

Ein weiterer Test zur Pluripotenz Gene beinhaltet das Oct4-GFP-Detection-System. Oct4 ist erforderlich für Selbsterneuerung und Differenzierung ist schnell nach unten geregelt. Wirkt daher, seinen Ausdruck als ein verlässlicher Indikator für die "Stemness." In diesem Experiment express Zellen grünes fluoreszierendes Protein unter der Kontrolle des Veranstalters Oct4. Diese Zellen können dann experimentell manipuliert, und Veränderungen in GFP Expression werden analysiert, um identifizieren neue Gene oder lösliche Faktoren, die Selbsterneuerung zu modulieren.

Um Zellen in Vitrozu studieren, müssen wir zuerst verstehen, wie man sie Kultur. Stammzellen erfordern eine besondere Mikroumgebung, Stemness beizubehalten. Dies kann erreicht werden durch Co Kultivierung Stammzellen mit Feeder-Zellen, z. B. Maus embryonalen Fibroblasten oder MEFs. MEFs sezernieren ein komplexes Gemisch von notwendigen Pluripotenz und Selbsterneuerung Faktoren.

Manchmal ist es wünschenswert, Feeder-freie Kulturen von Stammzellen haben. Die Hauptmethode, Feeder-freie Zelllinien beizubehalten ist, Zellkulturmedien mit Lager Reagenzien von Wachstum und hemmenden Faktoren zu ergänzen.

Stammzellen in-vitro- Differenzierung wird durch verschiedene Methoden erreicht. Differenzielle Genexpression ist letztlich verantwortlich für die Spezialisierung der Zellen. In der zweistufigen differenziert Methode, die Sie hier sehen, kultivierten Maus embryonale Stammzellen für eine neuronale Schicksal grundiert werden, bevor er weitere mit Motoneuron Induktion Medium. Diese Faktoren aktivieren bestimmte Wege der Genexpression, was zu morphologischen und Proteomic Veränderungen charakteristisch von Motoneuronen.

Ein großer Nachteil der traditionellen in-vitro- Differenzierung ist, dass flache Teller das 3D Wachstum von Zellen beschränken. Das hà ¤ ngen Drop-Methode und Mikrokapsel Methoden umgehen diese Probleme. In den hängenden drop Technik, kleine Tropfen von Stammzellen Suspensionen sind vernickelt auf dem Deckel einer Petrischale und kultiviert Kopf Form Aggregaten von Stammzellen als Embryoid Körper bekannt.

Mikroverkapselung Methoden Stammzellen sind gemischt mit eine biokompatible halbdurchlässige Membran genannt Alginat und Kultur Zellplatten als Perlen eingezahlt. Beide Methoden können zur weiteren Differenzierung in spezialisierten Zellen wie dopaminergen Neuronen und Herzmuskelzellen.

Wissen, wie man direkte Differenzierung ist ein wesentlicher Schritt zur Verwendung von Stammzellen in der regenerativen Medizin. Stammzell-Transplantation Therapie zielt darauf ab, zur Behandlung und Heilung von degenerativen Erkrankungen durch Reparatur beschädigter Gewebe mit Stammzellen. In diesem Experiment werden somatische Zellen von Patienten in IPS-Zellen über Lentivral Infektion der Yamanaka Faktoren umprogrammiert. Aus ihrem pluripotenten Zustand sind Zellen in bestimmten Zelltypen differenzieren und kehrte an den Host, geschädigtes Gewebe zu reparieren.

Nun, da Sie wissen, dass einige der Methoden verwendet, um Stammzellen zu untersuchen, werfen wir einen Blick auf die Anwendung dieser Methods in spezifischen Experimente.

In diesem Experiment mit einem Mausmodell der multiplen Sklerose werden neuronale Stammzellen betroffenen Mäuse intravenös injiziert. Hirnschnitten von behandelten Mäuse werden gesammelt und unter dem Mikroskop zu beurteilen Erfolg der Transplantation abgebildet. Zellen aus neuronalen Vorläuferzellen Spender werden mithilfe des Reportergens LacZ nachverfolgt. Wie Sie sehen können, haben eine Reihe von Spender-Stammzellen unterschieden und in das zentrale Nervensystem der erkrankten Mäusen integriert.

Nicht jede Krankheit kann durch systemische Injektionen behandelt werden. Knorpel Verletzungen, zum Beispiel erfordern eine spezialisierte Gerüst, um wieder aufzubauen. In diesem Experiment wird eine Mischung aus mesenchymalen Stammzellen und Gerinnungsfaktoren zusammen um ein Gerinnsel bilden kultiviert. Das Gerinnsel wird dann in den beschädigten Knieknorpel eines Kaninchens und integrieren. Mit diesem Verfahren kann Umbau der Knieknorpel glatt und funktionelle Gelenk beobachtet werden.

Manchmal, team Stammzellforscher und Gewebe Ingenieure, ganze Organe wieder aufzubauen. In diesem Experiment werden Primas Lunge gewaschen, um die Orgel, hinterließ nur nicht-zelluläre Strukturkomponenten decellularize. Dieser "Geist" Lunge ist dann in einem Bioreaktor übertragen wo es mit Gefäß- und epithelialen Stammzellen entkernt ist. Um weiter zu imitieren die Druck und das Verhalten, die eine natürliche Lunge erfährt, Bioreaktor zirkuliert Medien unterhält Druck und Gas und bläst die Lunge.

Sie habe nur Jupiters Stammzell-Biologie Übersicht beobachtet. Zur Erinnerung, in diesem video wir haben Stammzellen und ihre Geschichte, Wartung, Differenzierung und Lieferung Methoden und Stammzell-Anwendungen diskutiert. Danke fürs Zuschauen!

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