Моделирование эмбрионального развития на микрофлюидном чипе

Использование человеческих эмбрионов для исследований сопряжено с этическими проблемами. Решением могут стать альтернативные инструменты — in vitro модели. Однако моделирование ранних стадий развития эмбриона остаётся сложной задачей.

Учёные из Института биоинженерии EPFL смоделировали in vitro аспекты формирования эмбриона, используя эмбриональные стволовые клетки.

Проблема сигнальных молекул

Ключевая проблема — как предоставить клеткам в культуре ключевые сигнальные молекулы (морфогены) в нужное время и в правильной дозе. Простое воздействие одной концентрацией приводит к неконтролируемому морфогенезу.

Имитация эмбрионального принципа

В развивающемся эмбрионе стволовые клетки получают динамичный градиент концентраций морфогенов из "сигнальных центров". Именно этот градиент указывает клеткам, в какой специализированный тип превращаться.

Микрофлюидный метод

Доктор Андреа Манфрин разработал метод воздействия на человеческие эмбриональные стволовые клетки градиентами морфогенов, имитируя условия гаструляции — ранней стадии, когда клетки начинают превращаться в разные типы.

Метод использует микрофлюидное устройство (чип) с каналами для точного контроля малых объёмов жидкости. Клетки выращивали в камере на чипе и подвергали тщательно контролируемым градиентам концентраций различных морфогенов.

Результаты и перспективы

Клетки развились и организовались в домены разных типов в зависимости от концентрации, как в организме. Учёным удалось успешно смоделировать аспекты гаструляции.

"Мы предположили, что создание искусственного сигнального центра ex vivo позволит направить самоорганизацию популяции стволовых клеток к желаемому результату", — объясняет Манфрин.

Это открывает преимущества для тканевой и органной инженерии, включая новые инструменты для тестирования лекарств, регенеративной медицины, изучения биологии развития и потенциальной замены экспериментов на животных.

"Одна из наших долгосрочных целей — создание органов для трансплантации, — говорит профессор Маттиас Лютольф. — Мы ещё далеки от выращивания функциональных органов в чашке, но прогресс в биологии стволовых клеток и биоинженерии позволяет быть оптимистичными. Ключ — лучше понять, как клетки сами строят ткани и органы в эмбрионе".

Уже ведутся работы с группами из Университетского госпиталя Лозанны (CHUV) по созданию миниатюрных органов (органоидов) из клеток пациентов.