Forscher finden Schlüssel zum Züchten und Differenzieren menschlicher Zellen

Forscher finden Schlüssel zum Züchten und Differenzieren menschlicher Zellen
Forscher finden Schlüssel zum Züchten und Differenzieren menschlicher Zellen
Anonim

COLUMBUS, Ohio - Forscher der Ohio State University haben den ersten Schritt zur Differenzierung menschlicher Zellen in einem künstlichen Wachstumsmedium unternommen.

Der Befund, der kürzlich auf dem Treffen der American Chemical Society in San Francisco bekannt gegeben wurde, könnte eines Tages die Produktion menschlicher Organe für Transplantationen unterstützen.

"Wir legen den Grundstein für künstlich gezüchtete Zellen, die spezielle Eigenschaften entwickeln, genau wie Zellen, die Organe im Körper auf natürliche Weise bilden", sagte Douglas Kniss, Professor für Geburtshilfe und Gynäkologie an der Ohio State.

Eine neue thermische Kompressionstechnik ermöglichte es den Forschern, das Wachstumsmedium in einem Faserbett-Bioreaktor zu verändern und zu verändern, wie Zellen wachsen und sich vermehren. Dieser Bioreaktor ist ein Gerät zur Gewebezüchtung, das zuvor im Bundesstaat Ohio entwickelt wurde.

In Tests konnten die Forscher menschliche Plazentazellen dazu bringen, Cluster zu bilden und die gleichen chemischen Veränderungen wie Stammzellen im Körper zu initiieren, bevor sie sich differenzieren. Zu den Mitforschern des Projekts gehören Shang-Tian Yang, Professor, und Yan Li, ein Doktorand, beide Chemieingenieurwesen; Teng Ma, ein Postdoktorand in Geburtshilfe und Gynäkologie; und Larry Lasky, außerordentlicher Professor für Pathologie. Li stellte die Ergebnisse auf dem Treffen der American Chemical Society vor.

Yang entwarf den Bioreaktor als dreidimensionale Alternative zu den flachen Petrischalen, die Wissenschaftler normalerweise zur Zellkultur verwenden. Das Gerät ist in der Lage, Zellen für eine Vielzahl von Anwendungen zu züchten, darunter Fermentation, Tierzellkultur, Gewebezüchtung und Abwasserbehandlung.

Zuvor züchteten Yang und andere Chemieingenieure im Bundesstaat Ohio menschliche Tumorzellen im Bioreaktor, um große Mengen eines Proteins für die Krebsforschung herzustellen. Kniss und seine Forschungsgruppe nutzten den Bioreaktor, um gesunde menschliche Plazentazellen zu züchten, mit dem Ziel, Medikamente zu testen, die eine Frau während der Schwangerschaft einnehmen kann, ohne ihrem Fötus zu schaden.

Ein Wald aus mikroskopisch kleinen Polyesterfasern verankert lebende Zellen im Bioreaktor. Dadurch können Zellen wie im Körper wachsen und sich vermehren, indem sie sich an die Fasern klammern wie an Stränge menschlicher Proteine. Flüssige Nährstoffe strömen stetig durch den Bioreaktor und ahmen den Blutfluss nach.

In dieser neuesten Arbeit fanden die Forscher heraus, dass das Vergrößern oder Verkleinern der Lücken zwischen den Fasern im Bioreaktor das Wachstum und die Entwicklung der Zellen verändert.

Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, mussten die Forscher jedoch einen Weg finden, die Lücken auf eine bestimmte Größe zu schließen. Wenn sie das Faserbett einfach zusammendrücken würden, würde es wie ein weicher Schwamm zurückprallen.Also versuchten sie, das Polyester gleichzeitig zu erhitzen und zu komprimieren, um es effektiv in Form zu bügeln.

Li erklärte, dass sich Polyester bei Raumtemperatur wie ein Feststoff und bei hohen Temperaturen wie eine Flüssigkeit verhält. Bei einer bestimmten Temperatur dazwischen, etwa 160 sF, weist es auf molekularer Ebene Eigenschaften von sowohl fest als auch flüssig auf. Wenn sie das Material in dieser kritischen Zeit komprimieren, behält es seine Form und seine besonderen molekularen Eigenschaften.

Durch die präzise Steuerung von Druck, Temperatur und Kompressionszeit konnten die Forscher die Größe der Lücken anpassen.

Kniss verglich die Faserstruktur mit einem Gerüst, das eine Skulptur trägt. Die thermische Kompressionstechnik, sagte er, bietet eine neue Methode, um die Struktur von Gerüsten zu modifizieren, die eines Tages verwendet werden könnten, um menschliche Organe im Labor zu züchten.

"Der Schlüssel zum Funktionieren dieser Technologie liegt darin, einen billigen und einfachen Weg zur Massenproduktion des Gerüsts zu finden", sagte Yang. "Und so macht man das."

Für den zweiten Teil dieses Projekts züchteten die Forscher Plazentazellen in zwei Faserbetten, eines mit einer durchschnittlichen Sp altgröße von 30 Mikrometern und das andere mit einer durchschnittlichen Sp altgröße von 40 Mikrometern. Plazentazellen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern stellen einen guten Testfall dar, da sie den Zellen ähneln, aus denen die Organe des Körpers bestehen, sagte Kniss.

Wenn die Fasern durchschnittlich 30 Mikrometer voneinander entfernt waren, reproduzierten sich die Zellen sehr schnell und breiteten sich im gesamten Bioreaktor aus.

Aber wenn die Fasern 40 Mikrometer voneinander entfernt waren, bildeten die Zellen Cluster in den offenen Räumen und initiierten chemische Funktionen, wie sie es im Körper vor der Differenzierung tun würden.

Kniss sagte, er könne erkennen, dass die Zellklumpen ihre Funktion änderten, wenn sie die Reproduktion verlangsamten und ihre Stoffwechselrate erhöhten. Die Zellen verbrauchten mehr Glukose und produzierten mehr Milchsäure. Sie begannen auch mit der Produktion von Östrogen, einem Schlüsselhormon, das normalerweise von Plazentazellen produziert wird.

Yang erklärte, wie die Forscher glauben, dass die Lückengröße das Wachstum und Verh alten der Zellen beeinflusst. Wenn die Lücken zwischen den Fasern klein genug waren, damit die Zellen die Lücke leicht überbrücken konnten (30 Mikrometer), reproduzierten sie sich schnell. Dies spiegelt das Anfangsstadium der schnellen Zellproduktion wider, wenn sich Organe im Körper zu bilden beginnen. Wenn die Abstände zwischen den Fasern zu groß waren, als dass die Zellen sie überqueren könnten (40 Mikrometer), begannen sie, übereinander zu wachsen, wie sie es im Körper tun, bevor sich die Zellen differenzieren.

"Diese thermische Kompressionstechnik ermöglicht es uns, Lücken einer bestimmten Größe zu schaffen, die Zellen dazu bringen, sich zu reproduzieren oder zu differenzieren, und hoffentlich beides", sagte Kniss.

"Für die Gewebeerzeugung brauchen wir zuerst schnelles Wachstum und später Differenzierung. Einen Prozess zu entwickeln, bei dem man beides im Labor macht, ist eine Herausforderung", sagte Yang.

Ma sagte, der Grund, warum die Verklumpung den Zellen ermöglicht, sich zu differenzieren, sei immer noch ein biologisches Rätsel. Er glaubt, dass andere Faktoren, wie zum Beispiel die chemische Kommunikation zwischen Zellen, die Zellen dazu veranlassen könnten, sich zu differenzieren.

Kniss hat keine unmittelbaren Pläne, diese Technologie einzusetzen, um zu versuchen, ganze Organe zu züchten. Er sagte jedoch, dass Forscher in anderen Labors derzeit versuchen, Knochen-, Blasen-, Nieren-, Leber- und Hornhautzellen mit verwandten Technologien zu züchten.

"Die zugrunde liegenden Prinzipien, die wir bereitstellen, werden diesen Menschen jetzt helfen und in Zukunft hoffentlich auch anderen Menschen helfen, ganze Organe herzustellen", sagte er.

Für ihre Doktorarbeit arbeitet Li daran, Nabelschnurblutzellen zu züchten. Wenn sie erfolgreich ist, könnte der Bioreaktor eines Tages verwendet werden, um Zellen für Knochenmarktransplantationspatienten zu züchten.

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