Betrachten Sie die Wunder des Embryos. Es beginnt ein glob identischer Zellen, die Form und Funktion zu ändern , wie sie sich vermehren , um die Zellen der Lunge , Muskeln, Nerven und all die anderen spezialisierten Geweben des Körpers zu werden.
Nun , in einem Meisterstück der Umkehr Tissue Engineering, der Stanford University Forscher haben damit begonnen, die komplexe genetische Kodierung, die embryonalen Zellen zu vermehren und verwandeln sich in alle spezialisierten Zellen , die unzähligen biologischen Aufgaben können zu entwirren.
Ein Team von interdisziplinären Forscher nahmen Lungenzellen von den Embryonen von Mäusen , die Wahl Proben an verschiedenen Stellen im Entwicklungszyklus . Mit der neuen Technik der Single-Cell- Genomanalyse nahmen sie , welche Gene in jeder Zelle zu jedem Zeitpunkt aktiv waren . Obwohl sie studiert Lungenzellen ist ihre Technik anwendbar auf jede Art von Zelle .
"Dies legt ein Textbuch für die , wie man umgekehrt Tissue Engineering ", sagte Stephen Quake , PhD, die Lee Otterson Professor an der School of Engineering und Howard Hughes Medical Institute Investigator .
Die Forschungsergebnisse werden in einem Papier online veröffentlicht in der Natur beschrieben . Quake , der auch ein Professor für Biotechnik und der angewandten Physik , ist der leitende Autor . Die Hauptautoren sind Postdoktoranden Barbara Treutlein , PhD, und Doug Brownfield , PhD.
Die Forscher verwendeten das Reverse-Engineering -Technik , um die Zellen in den Alveolen , die kleinen , ballonartige Strukturen an den Enden der Luftwege in der Lunge zu untersuchen. Die Alveolen dienen als Docking-Stationen , wo die Blutgefäße zu erhalten und liefern Sauerstoff Kohlendioxid.
Treutlein und Brownfield isoliert 198 Lungenzellen von Maus-Embryonen in drei Stadien der Schwangerschaft : 14,5 Tage 16,5 Tage und 18,5 Tage (Mäuse sind in der Regel bei 20 Tagen geboren ) . Sie nahmen auch einige Lungenzellen von erwachsenen Mäusen .
Sie verwendeten Standard enzymatischen Techniken, um die Proteine, die die Lungenzellen in Gewebeformzusammenzuhalten auflösen, dann sortiert die spezifischen alveolären Zelltypen, die in den Mittelpunkt ihrer Studie waren .
Ihre nächsten Schritte beteiligt neuere Techniken in den Mittelpunkt ihrer Reverse - Engineering-Prozess.
Daran erinnern , wie Pipetten arbeiten . Drücken Sie den Gummiball , um die Luft zu evakuieren ; tauchen sie in eine Lösung, um es mit Flüssigkeit zu füllen; drücken Sie die Lampe erneut, um die Flüssigkeit aus erzwingen. In den letzten Jahren haben Biotechnologen diese Grundregeln verwendet werden, um mikrofluidische Vorrichtungen so präzise, dass sie eine einzelne Zelle aus der Lösung zu saugen und zu isolieren, sie in eine Kammer zu sein genetisches Material zu studieren zu entwickeln.
Quake Labor hat die Verwendung von mikrofluidischen Bauteilen , einzelne Zellen zu untersuchen Pionierarbeit geleistet. In dieser Studie mikrofluidischen Bauteilen verwendet sie , um ihre 198 Probenlungenzellenzu erfassen. Dann verwendet sie einzellige genomische Sequenzierung zu messen , welche Gene waren in jeder Zelle zu jeder Zeit aktiv.
Wie sind sie zu entschlüsseln Genom- Aktivität in einer Zelle ? DNA in den Kern jeder Zelle enthält das vollständige Genom dieses Organismus . Aus diesem Grund ist es möglich, einen Organismus aus einer einzigen Zelle zu bauen. Aber nur einige dieser Gene sind zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Zelle aktiv . Das ist, warum Lungenzellen anders als Haarzellen ; Jede Zelle hat einen unterschiedlichen Satz von aktiven Genen lenken seine Funktionen.
Gene direkt die Zellaktivität , indem sie oder " Ausdruck " Boten-RNA . Jede mRNA weist die Zelle zu einem bestimmten Protein zu machen. Die Zellen sind im Wesentlichen eine Gruppe von interagierenden Proteinen . Daher wissen, welche mRNAs aktiv sind ein Objektiv in die Funktion der Zelle an der Stelle bietet , als es in der mikrofluidischen Vorrichtung eingefangen.
Mit diesem Verfahren ist die Stanford-Forscher offenbart zum ersten Mal genau die Gene regulieren , die Entwicklung dieser bestimmten Lungenzellen in jedem Schritt auf dem Weg zu Alveolen reifen.
Ein wichtiges Ergebnis war die Entwicklung von zwei wichtigen Zelltypen an der Spitze der Lungenbläschen , wo die Lungenbluttrifft , um den Gasaustausch, die uns am Leben hält durch.
Alveolar Typ -1-Zellen sind die flachsten Zellen im Körper . Blutkörperchen docken an ihrer Seite , um Sauerstoff zu liefern oder abholen Kohlendioxid. Die geringe Dicke der Zelle ist wichtig , um dieses Gas -Transfer zu erleichtern .
Alveolar Typ -2-Zellen sind kompakt und quaderförmig . Sie sondern Proteine , die Lungenbläschen vor dem Kollaps wie leere Ballons halten , um den Innenraum , durch die Sauerstoff und Kohlendioxid bewegen zu halten.
Mit Single-Cell- Genomik konnten die Forscher Reverse Engineering , den Entwicklungsprozess zu zeigen, wie eine einzige Vorläuferzelltypführt zu diesen beiden unterschiedlichen , reife Alveolarzellen .
Die Forscher stellten auch eingefangenen Zellen im Übergang von der VorläuferzellZustand reifen, gewinnt entscheidende Einblicke in den Mechanismus der alveolären Zelldifferenzierung .
Obwohl diese Studie konzentrierte sich auf Lungenzellen , die Technik - die Erfassung einzelner Zellen in unterschiedlichen Stadien der embryonalen Entwicklung und Bewertung von Genaktivität durch mRNA -Sequenzierung - können verwendet werden, um Reverse-Engineering anderen Geweben werden.
Neben der Untersuchung der embryonalen Entwicklung , kann die Technik, die in klinischen Umgebungen verwendet werden. Zum Beispiel könnten die Forscher Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen in einer Studie Tumor , Ein besseres Verständnis der Stadien von Krebs und führt zu besseren und zielgerichtete Therapien.
"Diese Technologie stellt einen Quantensprung in unserer Fähigkeit, die gesamte Vielfalt von Zelltypen in einer bestimmten Population zu erfassen , darunter seltene diejenigen, die spezielle Funktionen haben könnte ", sagte Tushar Desai , MD, MPH , Assistant Professor für Lungen-und Intensivmedizin an der Stanford und Co-Autor des Papiers. "Weil eine umfassende molekulare Charakterisierung der einzelnen Arten erreicht , darunter die Signale, die sie senden und empfangen , wird eine Momentaufnahme der Kommunikation zwischen einzelnen Zellen auch entstehen und kann attraktiven therapeutischen Ziel schlagen . "