器官形成入門

Developmental Biology

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Summary

器官形成は萌芽期の開発の後の段階の間に、臓器が 3 つの胚葉のいずれかから発生するプロセスです。器官形成研究者は遺伝的プログラム、細胞間の相互作用、およびこのプロセスに関連する機械的な力を理解します。最終的には、科学者は、この知識を使用して治療法や疾患を治療する人工臓器を作成する願っています。

このビデオは、1800\ ので画期的な研究を記述する歴史的なハイライトで始まる器官形成の包括的な概観を提供しています、最初の人間の手術に至るまでを 2008 年に実行器官のティッシュ エンジニア リングを使用しています。発達生物学者からの質問を次に、キーは、組織移植、イメージング、および体外培養の技術を使用してこれらのクエリに応答する方法の議論が続いて、紹介しています。最後に、我々 は、これらのメソッドは、発生生物学研究所で現在用いられている方法について説明します。

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JoVE Science Education Database. 発生生物学の必需品. 器官形成入門. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

器官形成の分野の科学者は、専門性の高い形態と機能を持つ臓器の開発を調査します。

胚細胞は胚芽層として知られている 3 つの離散細胞層に自分自身を配置した後、臓器は、開発の後期に比較的発生します。器官の形成に配慮し、研究者はより個々 の器官の機能を理解するし、臓器不全に関連する人間の病気を解決する治療法を作成できます。

このビデオ器官形成研究の簡単な歴史を紹介、器官形成研究者発生学者によってキーの質問を紹介、それらの質問に答えるために利用できるいくつかのツールについて説明します、最後にフィールドで行われている現在の実験について説明します。

器官形成研究の歴史の中でいくつかの画期的な研究を確認してみましょう。

1820 年代、カール ・ フォン ・ ベーアとクリスチャンは迎合するハインリッヒは開発の胚層理論を説明します。ひよこモデルに基づいて、フォン Baer とパンダー提案したすべての脊椎動物の胚を 3 つの異なるプライマリ細胞層を一緒に成人のすべての器官を生じさせるで構成されます。腸および呼吸器管のライニングなどの深い組織、筋肉や血液を含む中胚葉形中間組織を生じさせる、内胚葉と外胚葉は、皮膚や神経のような他の表面組織を生成します。

60 年後の 1885 年、ヴィルヘルム彼は顕微鏡のセクションから再構築胚の最初のアトラスを公開されました。このコレクションは、器官形成の最初の詳細な説明の 1 つを提供し、セルのさまざまなグループがフォーム心臓、目、脳などの臓器に彼ら自身を整理について仮説を立てた。

1924 年、発生学者ハンス ・ チームとヒルデ マンゴールドは器官を勉強するより実験的アプローチを取った: 両生類の胚のオーガナイザーとして今知られている領域を研究するかで組織の移植を行った。別に 1 つの胚のオーガナイザーを移植、セカンダリの神経組織の形成が誘導されます。この細胞間相互作用により発達パターンの変更「誘導」として有名になったし、多くの器官の形成に重要な最初のステップです。

この大発見を次の十年、顕微鏡と分子生物学の進歩は、胚が細胞・分子レベルで検討する可能性が今を意味しました。1940 年代に、サロメ Gluecksohn-Waelsch は、特定の遺伝子が臓器開発を規制することを理解するモデルとしてマウスを使用されます。T 遺伝子座遺伝子の変異を持つマウスが脊索のような神経系の開発の重要な構造を欠いていたことを示しました。

この作品は、w. t. グリーン ヌードマウスに実験室で培養した健康な軟骨細胞を植え付けることによって 1970 年代に組織体外の世代を調査するための道を開いた。失敗した、1981 年にグリーンの所見を助けた研究者、イオアニス Yannas とユージン ベル紹介生体外で生きている動物に戻って成長して組織のよう。この手法は、2008 年、パオロ ・ Macchiarini は患者の左気管支を実験室で栽培されていた組織に置き換えることによって最初組織設計全体臓器移植を実施するときに大躍進につながった。

今では私達はいくつかの歴史的なハイライトを見直した、器官形成の分野に今日直面しているいくつかの基本的な質問を調べてみましょう。

まず発生学者によって広い質問ではおそらく、: 方法はセルのグループの高度な構造器官に変換ですか?回答については、研究者は頻繁複雑な管状ネットワークに単純な管の分岐のような定義済みの形態学的イベントに焦点を当てます。1 つの組織でこれらのプロセスを制御する機構は彼らの実験を設計する方法について手がかりを与える研究員類似の構造を持つ他の組織で使用されているに似ているかもしれない。

発生学者は、どのように特定の遺伝子の直接の器官形成に興味を持っています。個々 の遺伝子、自社製品がどのように細胞を生成し、機能している臓器を形成するために信号への対応方法と同様サイズおよび細胞の形状を制御する機能にいくつかのフォーカス。

他の人は遺伝子を発現するタイミングと場所を決定する機構を調査します。たとえば、転写因子、近くの遺伝子の発現を制御する特定の DNA シーケンスを付ける蛋白質であります。同時にそれぞれの特定のセルの id を定義する遺伝子のセット全体を規制する、ことによって転写因子の比較的小さい数は全体の器官の形成を指示できます。

セルも力学的手がかりに敏感なので、多くの科学者はどの物理的な力ガイド器官形成を探る。いくつかは、せん断応力として知られている細胞の表面を流れる流体によって生成力が細胞分化をどのように影響するかを見てください。他の人は組織の緊張が筋肉と骨のような組織の整合性のために重要である細胞間の接続を促進する方法を検討します。

最後に、十分な健康な人間の臓器移植の必要性を満たすために利用可能なないため、科学者が実験室で臓器を設計する新しい方法を工夫すること。彼らの主な目標は、足場、または人工構造物の三次元組織と器官の成長条件を最適化することができる作成を含みます。たとえば、細胞、器官を構築するために使用は、遺伝的安定性を維持しながらすぐにその人口の拡大できなければなりません。細胞、組織に正常に組み立てられると、臓器が機能血液供給を開発することを確保する、追加挑戦です。

発生学者によって発生したいくつかの重要な質問のための感じがあるので、それらを使用して答えを見つける、いくつかの研究ツールを見てみましょう。

様々 なイメージング技術より複雑な器官に組立セル見てに使用されます。運命のマッピングは、イメージング、それは単一セルおよび開発全体を通して彼らの子孫の追跡を含んでいるために大きく依存する 1 つの方法です。運命の地図を作成するには、科学者は蛍光ペプチドとそれらの分類によって興味のセルを監視できます。

イメージングも細胞移植と移植実験で必要です。ここでは、2 つの生物、ドナーとホストの細胞を移植、生物特異的マーカーはアイデンティティおよび移植細胞の配置が臓器の開発への貢献を決定する方法を決定する使用されます。

器官形成の遺伝的制御を調べる科学者数ティッシュの開発で遺伝子発現を操作するための戦略であります。遺伝子組換え技術を使用して、たとえば、動物のゲノム変更できます全体の動物のいずれかまたは [組織特異的な遺伝子発現を増減します。遺伝子操作により簡単なアプローチは、ウイルスの伝達のような技術は遺伝子発現や細胞のより小さい人口に構造をサイレンシングを迅速によく使用されます。

機械力の役割を研究開発中に、科学者は、しばしば体内生理を模倣の in vitro培養系に回してください。たとえば、彼らが成長するにつれ、フレキシブル基板上に成長した細胞は伸ばすことができます。セルは、せん断応力を模倣する専門にされたマイクロ室でもよく育ちます。蛍光抗体法と他の顕微鏡検査の方法は、組織開発と携帯電話の連絡先を影響見て使用されます。

ティッシュ ・ エンジニア リングが臨床治療に器官形成の知識を翻訳に焦点を当てた技術、生物学的足場で健康な細胞を培養です。足場は、洗剤・塩・酵素を使用し、幹細胞と興味の組織を再の組織から削除する細胞材料で構築できます。また、電荷を用いた生分解性ポリマーから足場を作成できます。関係なく、どのように彼らは作られて、足場は細胞を播種、バイオリアクターと呼ばれる特殊な設定で制御された条件下で培養しました。

今ではいくつかの一般的な方法は、器官形成の勉強に慣れている、これらのメソッドが適用されるしくみを見てみましょう。

胚性キメラとして知られている 1 つ以上のゲノムから細胞を含む生物は、細胞の運動を追跡する便利なツールです。この実験では、ゼブラフィッシュ キメラはラベルの宿主胚に蛍光に分類されたドナー細胞を移植によって作られました。これらの移植は、筋肉と脳のような萌芽期の構造の開発に移行し、細胞の運命決定の役割を研究に使用されました。

器官発生における役割特定の遺伝子再生を理解するには、科学者は、遺伝子発現を変更します。この実験では、morpholinos、として知られている遺伝子特定アンチセンスオリゴヌクレオチド最初ゼブラフィッシュの受精卵に注入しました。次に、開発の心は、心筋細胞で選択的に発現する蛍光マーカーを使用して分析しました。ここでは、2 つの遺伝子の組み合わせのノックダウンは、心臓の開発を完全にブロック。

組織工学、異なる細胞型の間の相互作用を調査しの in vitroin vivoの研究間のギャップをブリッジにできます。この実験では、人間の皮膚の再建は実験室で生成されました。皮膚の開発だけでなく、癌の進行を見て、皮膚幹細胞の移行は、蛍光付けられた蛋白質を使用して追跡されました。皮膚再建された、接ぎ木マウス リビング システムで肌細胞の運命と生理学を勉強するために。

ゼウスの器官形成入門を見てきただけ。このビデオで器官形成研究の歴史を確認し、発生学者によってキーの質問を紹介しました。また分野で著名な研究戦略を検討し、現在のアプリケーションのいくつかを説明しました。見てくれてありがとう!

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