Une Introduction à la biologie des cellules souches

Developmental Biology

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Summary

Les cellules qui peuvent se différencier en divers types de cellules, appelées cellules souches, sont aujourd'hui au centre d’un des domaines plus passionnants de la science. Cellules souches biologistes sont efforcent de comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent la fonction de ces cellules. Ces chercheurs sont également intéressés par l’exploitation du potentiel remarquable de cellules souches pour traiter des maladies humaines.

JoVE présente ici une introduction à l’univers captivant de biologie des cellules souches. Nous commençons avec une chronologie des études historique, de la première preuve expérimentale pour les cellules souches hématopoïétiques dans les années 1960, aux plus récentes percées comme induite par des cellules souches pluripotentes. Ensuite, principales questions sur la biologie des cellules souches sont introduites, par exemple : comment ces cellules conservent leur aptitude unique à l’auto-renouvellement ? Elle est suivie d’une discussion de certaines méthodes de premier plan permettant de répondre à ces questions. Enfin, plusieurs expériences sont présentés pour illustrer l’utilisation de cellules souches en médecine régénérative.

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JoVE Science Education Database. Notions essentielles de biologie du développement. Une Introduction à la biologie des cellules souches. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Comme leur nom l’indique, les cellules souches sont les précurseurs d'où de nombreux différents types de cellules « souches ». Ils sont caractérisés par leur puissance, ou leur capacité à se différencier en cellules de tous les trois couches de germe, ainsi que leur renouvellement ou capacité à produire plus de cellules souches. Dans l’espoir de faire progresser les domaines de la biologie du développement et de la médecine régénérative, les cellules souches chercheurs tentent de comprendre comment ces cellules uniques accomplir un tel exploit majeur.

Cette vidéo couvre des découvertes majeures dans le domaine de la biologie des cellules souches, les questions clées posées par les scientifiques dans ce domaine, des méthodes utilisées par les chercheurs de cellules souches et des applications de recherche sur les cellules souches.

Maintenant que nous avons introduit le concept de cellules souches, nous allons plonger dans la riche histoire de la recherche sur les cellules souches.

Dans les années 1960, les docteurs Ernest McCulloch et James Till découvrirent certains de la première preuve définitive de l’existence de cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse de mammifères adultes. Ces cellules ont la capacité de se renouveler et sont multipotentes, ce qui signifie qu’ils peuvent se différencier en multiple, mais s’y limiter, les types de cellules, à savoir les cellules du sang et le système immunitaire.

En 1988, Irving Weissman et collègues ont mis au point une méthode pour la purification de cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse de souris.

En 1981, le professeur Gail Martin a inventé le terme « cellules souches embryonnaires. » Contrairement aux cellules souches hématopoïétiques, les cellules souches embryonnaires sont pluripotentes, ayant la capacité de se différencier en tous types de cellules du corps. Elle et scientifiques Martin Evans et Matthew Kaufman, simultanément, mais séparément, développé des méthodes pour extraire la masse cellulaire interne des blastocystes de souris et de leur culture in vitro comme des cellules souches.

En 1998, plus de dix ans après l’isolement de cellules souches embryonnaires de souris, le Dr James Thomson a établi avec succès les premières lignes de cellules souches embryonnaires humaines.

En 2006, une percée majeure a eu lieu avec l’apparition de cellules souches pluripotentes induites comme conçu par le Dr Shinya Yamanaka. S’appuyant sur les travaux de John Gurdon, Yamanaka a développé une méthode pour reprogrammer différencié de cellules vers un État pluripotentes à l’aide de rétrovirus pour induire l’expression d’un petit ensemble de facteurs de transcription maintenant connu comme les « facteurs de Yamanaka ». Les cellules qui en résultent ont été nommés « les cellules souches pluripotentes induites », ou « CISP. » Ces expériences étaient considérés comme si fondamentalement importants que Yamanaka et Gurdon reçurent le prix Nobel en 2012.

À l’heure actuelle, nous avons maintenant des modèles iPSC de plusieurs maladies humaines et les plates-formes de régénération dans de nombreux tissus.

Aujourd'hui, la recherche sur les cellules souches est motivée par plusieurs grandes questions.

L’un des plus importants de ces questions est : Comment maintenir les cellules souches pluripotence et renouvellement ? Il y a deux caractéristiques connexes des cellules souches qui confèrent à ces propriétés. Tout d’abord est l’expression de gènes spécifiques indispensables pour stemness et auto-renouvellement. La seconde est la réactivité des cellules souches pour des facteurs réglementaires qui influent sur l’expression de ces gènes.

La question logique suivante est : Comment est la différenciation des cellules souches réalisé ? Comme une cellule souche se développe en une cellule mature, activation des voies de différenciation spécifique induit des changements dans l’expression génique, désactivation des gènes des cellules souches et tournant sur tissu-spécifiques gènes, qui se traduit par l’augmentation de spécialisation de la fonction cellulaire et de morphologie.

Enfin, nous allons aborder la question principale conduisant la financement de la recherche de cellules souches : les cellules souches peut être utilisés pour traiter la maladie ? Médecine régénérative s’attaque à cette question de deux façons : 1) par régénératives des organes en laboratoire et 2) en livrant des cellules souches par l’intermédiaire de transplantation pour traiter la dégénérescence des tissus.

Maintenant que nous avons présenté certaines des questions clées concernant la biologie des cellules souches, Let ' s go sur certaines des méthodes éminents utilisés pour y faire face.

Microréseau technologie peut être utilisée pour découvrir les gènes qui confèrent puissance et renouvellement dans les cellules souches. Dans cette technique, ARN total est isolé dans une population de cellules, qui agit comme un instantané de l’expression génétique actuelle. Dans une série d’étapes, ce mRNA est converti en une sonde couplée et hybride avec une puce contenant des transcriptions de tout le génome humain. Cette puce de numérisation fournit une lecture des profils d’expression génique relatif. Comme vous pouvez le voir, une cellule souche exprime un ensemble de gènes spécifiques qui diffère d’une cellule différenciée.

Un autre test pour les gènes de la pluripotence implique le système de détection Oct4-GFP. Oct4 est requise pour l’auto-renouvellement et est rapidement diminuées durant la différenciation. Par conséquent, son expression agit comme un indicateur fiable de la « stemness. » Dans cette expérience, les cellules expriment la protéine fluorescente verte sous le contrôle du promoteur Oct4. Ces cellules peuvent ensuite être expérimentalement manipulés, et changements dans l’expression de la GFP sont analysés pour identifier de nouveaux gènes ou facteurs solubles qui modulent l’auto-renouvellement.

Afin d’étudier les cellules souches en vitro, nous devons d’abord comprendre comment leur culture. Cellules souches nécessitent un microenvironnement particulier à maintenir stemness. Ceci peut être réalisé par co-culture de cellules souches avec des cellules nourricières, tels que les fibroblastes embryonnaires de souris, ou MEFs. MEFs sécrètent un mélange complexe de pluripotence nécessaire et facteurs d’auto-renouvellement.

Parfois, il est souhaitable d’avoir des cultures sans alimentation des cellules souches. La méthode principale de maintenir les lignées cellulaires exempte d’engraissement est de compléter des milieux de culture cellulaire avec stocks réactifs de croissance et des facteurs inhibiteurs.

Différenciation des cellules souches en vitro s’effectue à l’aide de plusieurs méthodes. Expression différentielle des gènes est ultimement responsable de la spécialisation des cellules. Dans les deux étapes méthode que vous voyez ici, cellules souches embryonnaires de souris cultivées sont apprêtés pour un destin neuronal avant d’être davantage différenciées avec milieu inducteur des motoneurones. Ces facteurs activent des voies spécifiques de l’expression génique, ayant pour résultat morphologique et protéomiques changements caractéristiques des neurones moteurs.

Un inconvénient majeur traditionnel in vitro de différenciation est que les plaques plates limitent la croissance 3D des cellules. La pendaison méthode drop et méthodes de la microcapsule contourner ces problèmes. Dans la pendaison baisse technique, petites gouttes de suspensions de cellules souches sont plaqués sur le couvercle d’une boîte de Pétri et cultivés à l’envers pour former des agrégats de cellules souches, appelées corps embryoïdes.

Dans les méthodes de microencapsulation, les cellules souches sont mélangés avec une membrane semi-perméable biocompatible appelé l’alginate et convertis en perles sur plaques de culture cellulaire. Les deux méthodes permettent davantage de différenciation en cellules spécialisées, telles que des neurones dopaminergiques et les cardiomyocytes.

Savoir comment orienter la différenciation est une étape importante vers l’utilisation de cellules souches en médecine régénérative. Thérapie de transplantation de cellules souches a pour but de traiter et de guérir les maladies dégénératives de réparer les tissus endommagés avec des cellules souches. Dans cette expérience, les cellules somatiques des patients sont reprogrammés en cellules iPS via lentivral infection des facteurs Yamanaka. De leur état de pluripotentes, les cellules sont différenciées en cellules spécifiques types et retournés à l’hôte pour réparer les tissus endommagés.

Maintenant que vous savez que certaines des méthodes utilisées pour enquêter sur les cellules souches, nous allons jeter un regard sur comment ces méthodes sont appliquées dans les expériences spécifiques.

Dans cette expérience à l’aide d’un modèle murin de la sclérose en plaques, des cellules souches neurales sont injectés par voie intraveineuse à des souris touchées. Coupes de cerveau de souris traitées sont collectés et imagés sous un microscope pour évaluer la réussite de la transplantation. Cellules dérivées de cellules précurseurs neuronaux du donneur sont suivies à l’aide du gène rapporteur LacZ. Comme vous pouvez le voir, un certain nombre de cellules souches du donneur ont différenciés et intégrés dans le système nerveux central de souris malades.

Non chaque maladie peut être traitée par injections systémiques. Les lésions du cartilage, par exemple, exigent un échafaudage spécialisé pour reconstruire autour. Dans cette expérience, un mélange de cellules souches mésenchymateuses et des facteurs de coagulation sont élevées ensemble pour former un caillot. Le caillot est ensuite placé dans le cartilage du genou endommagé d’un lapin et permis d’intégrer. En suivant cette procédure, remodelage du cartilage du genou à un joint lisse et fonctionnel peut être observée.

Parfois, cellules souches chercheurs et ingénieurs de tissu s’associent pour reconstruire des organes ensemble. Dans cette expérience, primate poumons sont lavés pour decellularize l’orgue, laissant seulement des composants structurels non alvéolaire. Ce poumon « fantôme » est ensuite transféré dans un bioréacteur, où elle est ensemencée avec des cellules souches épithéliales et vasculaires. Pour plus amples simuler la pression et le comportement que les expériences d’un poumon naturel, le bioréacteur circule médias, maintient les niveaux de pression et gaz et gonfle les poumons.

Vous avez regardé juste aperçu de biologie de JoVE cellules souches. Pour rappel, dans cette vidéo nous avons discuté des cellules souches et leur histoire, maintenance, méthodes de différenciation et de la livraison et demandes de cellules souches. Merci de regarder !

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