Una introducción a la biología de la célula de vástago

Developmental Biology

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Summary

Las células que pueden diferenciarse en una variedad de tipos de células, conocidas como células madre, están en el centro de uno de los campos más apasionantes de la ciencia de hoy. Biólogos de la célula de vástago están trabajando para entender los mecanismos básicos que regulan la función de cómo estas células. Estos investigadores también están interesados en aprovechar el notable potencial de células madre para tratar enfermedades humanas.

Aquí, JoVE presenta una introducción al fascinante mundo de la biología de la célula de vástago. Empezamos con una línea de tiempo de los estudios de referencia, de la primera evidencia experimental de células madre hematopoyéticas en la década de 1960, a los avances más recientes como inducida por células madre pluripotentes. A continuación, claves preguntas sobre biología de la célula de vástago se introducen, por ejemplo: ¿cómo estas células mantienen su capacidad única para experimentar la renovación de uno mismo? Esto es seguido por una discusión de algunos prominentes métodos utilizados para responder a estas preguntas. Por último, se presentan varios experimentos para demostrar el uso de células madre en medicina regenerativa.

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JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología del desarrollo. Una introducción a la biología de la célula de vástago. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Como su nombre lo indica, las células madre son los precursores de que muchos diferentes tipos de células "madre." Se caracterizan por su potencia o capacidad de diferenciarse en células de las tres capas del germen, así como su renovabilidad o capacidad de generar más células madre. Con la esperanza de avanzar en los campos de la biología del desarrollo y medicina regenerativa, células madre investigadores están trabajando para entender cómo estas células únicas logran una hazaña tan importante.

Este video cubre importantes descubrimientos en el campo de la biología de la célula de vástago, preguntas claves de los científicos en este campo, prominentes métodos utilizados por los investigadores de células madre y aplicaciones de la investigación con células madre.

Ahora que hemos introducido el concepto de células madre, vamos a sumergirnos en la rica historia de investigación de células madre.

En la década de 1960, los doctores Ernest McCulloch y James Till descubrieron algunos de la primera evidencia definitiva de la existencia de células madre hematopoyéticas en la médula ósea de mamíferos adultos. Estas células tienen la capacidad de autorrenovación y son pluripotentes, lo que significa que puede distinguir en varios, pero limitados, tipos de células es decir, las células de la sangre y sistema inmunológico.

En 1988, Irving Weissman y colaboradores perfeccionaron un método para la purificación de células madre hematopoyéticas de médula ósea de ratón.

En 1981, profesor Gail Martin acuñó el término "células madre embrionarias". A diferencia de las células madre hematopoyéticas, las células madre embrionarias son pluripotentes, tienen la capacidad de diferenciarse en todos los tipos de célula del cuerpo. Ella y los científicos Martin Evans y Matthew Kaufman, simultáneamente pero por separado, desarrollaron métodos para extraer la masa celular interna de blastocistos de ratón y de la cultura les en vitro como células madre.

En 1998, más de diez años después el aislamiento de células madre embrionarias de ratón, el Dr. James Thomson había establecido con éxito las primeras líneas de células madre embrionarias humanas.

En 2006, un gran avance se produjo con la llegada de células madre pluripotentes inducidas, como el ideado por el Dr. Shinya Yamanaka. Basándose en el trabajo de John Gurdon, Yamanaka desarrolló un método para reprogramar distinguido células a un estado pluripotente utilizando retrovirus para inducir la expresión de un pequeño conjunto de factores de transcripción conocidos ahora como los "factores de Yamanaka". Las células resultantes fueron nombradas "células pluripotentes inducidas" o "iPSCs." Estos experimentos se consideran tan fundamental que Yamanaka y Gurdon se adjudicaron el Premio Nobel en 2012.

En la actualidad, ahora tenemos modelos de iPSC de varias enfermedades humanas y plataformas de regeneración en varios tejidos.

Hoy en día, la célula de vástago investigación es conducida por varias preguntas generales.

Uno de los más importantes de estas preguntas es: ¿cómo las células madre mantener a pluripotencia y renovabilidad? Hay dos relacionados con características de células madre que le confieren estas propiedades. En primer lugar la expresión de genes específicos es esencial para troncalidad y auto renovación. La segunda es la capacidad de respuesta de las células madre a factores regulatorios que afectan la expresión de estos genes.

La siguiente pregunta lógica es: ¿Cómo es la diferenciación de células dirigida? Como una célula madre se convierte en una célula madura, activación de vías de diferenciación específico induce cambios en la expresión génica, desactivación de genes de la célula de vástago y activar genes específicos de tejido, que resulta en el aumento de la especialización de la función celular y la morfología.

¿Por último, vamos a abordar la cuestión principal de conducción la promoción de la investigación de células madre: las células madre sirven para tratar la enfermedad? Medicina regenerativa es abordar esta pregunta de dos maneras: 1) por regrowing órganos en el laboratorio y 2) mediante la entrega de las células madre a través de trasplante para tratar la degeneración tisular.

Ahora que nos hemos presentado algunas de las preguntas claves sobre la biología de la célula de vástago, repasemos algunos de los métodos importantes utilizados para resolverlos.

Tecnología de microarrays puede ser empleada para descubrir qué genes confieren potencia y renovación de las células madre. En esta técnica, es aislado de una población de células, que actúa como una instantánea de la actual expresión génica RNA total. En una serie de pasos, este mRNA es convertido a una sonda fluorescente marcada y cruzado por hibridación a un chip que contiene transcripciones de todo el genoma humano. Análisis de este chip proporciona una lectura de perfiles de expresión génica relativa. Como se puede ver, una célula madre expresa un conjunto específico de genes que se diferencia de una célula diferenciada.

Un ensayo de pluripotencia genes implica el sistema de detección de Oct4-GFP. Oct4 se requiere para la renovación de uno mismo y es rápidamente regula durante la diferenciación. Por lo tanto, su expresión actúa como un indicador confiable de la "troncalidad". En este experimento, las células expresan la proteína verde fluorescente bajo el control del promotor Oct4. Estas células entonces pueden ser manipuladas experimentalmente, y cambios en la expresión de GFP se analizan para identificar nuevos genes o factores solubles que modulan la auto renovación.

Para estudiar las células madre en vitro, primero debemos entender cómo les de la cultura. Las células madre requiere un microambiente especial para mantener la troncalidad. Esto puede lograrse por co-cultivo con células madre con células de alimentador, como fibroblastos embrionarios de ratón o MEFs. MEFs secretan una mezcla compleja de factores auto renovación y pluripotencia necesario.

A veces, es deseable tener culturas alimentador-libre de las células madre. El método principal para mantener líneas de células libres de alimentador es complementar los medios de cultivo celular con los reactivos comunes de crecimiento y factores inhibitorios.

Diferenciar células madre en vitro se logra usando varios métodos. Expresión génica diferencial es en última instancia responsable de la especialización de las células. En las dos etapas método que ver aquí, células madre embrionarias de ratón cultivadas están preparadas para un destino neuronal antes de ser más distinguido con medio de inducción de la neurona de motor. Estos factores activan vías específicas de expresión del gen, dando por resultado morfológico y proteómicos cambios característicos de las neuronas motoras.

Una desventaja importante de la diferenciación tradicional en vitro es que placas planas limitan el crecimiento 3D de las células. Colgar el método de caída y los métodos de la microcápsula eluden estas cuestiones. Técnica de la gota en el ahorcamiento, pequeñas gotas de suspensiones de la célula de vástago son plateadas en la tapa de una caja Petri y cultivadas hacia abajo para formar agregados de células conocidas como cuerpos de embryoid.

En los métodos de microencapsulación, se mezclan células con una membrana semipermeable biocompatible llamado alginato y depositados como granos en placas de cultivo celular. Ambos métodos permiten otra diferenciación en células especializadas, como las neuronas dopaminérgicas y cardiomiocitos.

Saber dirigir la diferenciación es un paso importante hacia el uso de células madre en medicina regenerativa. Terapia de trasplante de células madre tiene como objetivo tratar y curar enfermedades degenerativas por reparación tejidos dañados con células madre. En este experimento, las células somáticas de pacientes se reprograman en células iPS a través de la infección lentivral de los factores de Yamanaka. De su estado pluripotente, las células son diferenciadas en tipos celulares específicos y devuelve al host a reparar el tejido dañado.

Ahora que conoces algunos de los métodos utilizados para investigar las células madre, vamos a echar un vistazo a cómo se aplican estos métodos en experimentos específicos.

En este experimento utilizando un modelo murino de esclerosis múltiple, las células madre neurales se inyectan por vía intravenosa en ratones afectados. Rebanadas de cerebro de ratones tratados son recogidas y reflejadas bajo un microscopio para evaluar el éxito del trasplante. Células precursoras neuronales de donante se realiza un seguimiento con el gen reportero LacZ. Como se puede ver, un número de células madre de donantes ha distinguido e integrado en el sistema nervioso central de ratones enfermos.

No cada dolencia se puede tratar con inyecciones sistémicas. Lesiones de cartílago, por ejemplo, requieren un andamio especializado para reconstruir todo. En este experimento, una mezcla de células madre mesenquimales y factores de la coagulación se cultivan juntos para formar un coágulo. El coágulo es luego había colocado en el cartílago dañado de la rodilla de un conejo y permite integrar. Siguiendo este procedimiento, remodelación del cartílago de la rodilla una articulación suave y funcional puede observarse.

A veces, células madre investigadores e ingenieros de tejidos se unen para reconstruir órganos enteros. En este experimento, pulmones de primate se lavan para decellularize el órgano, dejando sólo los componentes estructurales no celular. Este pulmón "fantasma" entonces se transfiere a un biorreactor, donde se siembra con células epiteliales y vasculares. Para imitar aún más la presión y el comportamiento que experimenta un pulmón natural, el biorreactor circula en los medios de comunicación, mantiene niveles de presión y gas e infla los pulmones.

Sólo ha visto Resumen de Biología de la célula de vástago de Zeus. Para resumir, en este video hemos discutido las células madre y su historia, mantenimiento, diferenciación y entrega métodos y aplicaciones de células madre. ¡Gracias por ver!

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