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用液晶控制胚胎干细胞区分大有希望

来源:University of Wisconsin-Madison
摘要:美国威斯康星曼迪新大学的研究者们最近研究发现,用于手机、监视器和其他电子装备上的液晶技术,同样可用于实时检测胚胎干细胞分化过程中。专家介绍,通过在细胞生长时对其进行机械性的应变,可以明显减少甚至可以完全消除掉那些不受控制的干细胞分化。新近研究发现.这种基于细胞培养系统的液晶材料,通过合成材料与人胚......

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  美国威斯康星曼迪新大学的研究者们最近研究发现,用于手机、监视器和其他电子装备上的液晶技术,同样可用于实时检测胚胎干细胞分化过程中。

  专家介绍,通过在细胞生长时对其进行机械性的应变,可以明显减少甚至可以完全消除掉那些不受控制的干细胞分化。新近研究发现.这种基于细胞培养系统的液晶材料,通过合成材料与人胚胎干细胞之间的相互作用达到实时控制的目的,还可以利用这种物质使生长中的胚胎干细胞发生变形。

  “相对其他分化后的细胞,干细胞看起来更小且彼此间的接触外形更紧凑。”化学和生物学工程专家Sean  Palecek说。“分化后的细胞伸展得更开,并在生长时用各种力附着到生长所需的基质中去。而这种力可以被液晶材料所感应到,通过液晶物质的结构和颜色的简单变化,我们可以实时观测细胞培养系统中细胞和支持物的相互作用。”



Liquid  crystals,  the  same  phase-shifting  materials  used  to  display  information  on  cell  phones,  monitors  and  other  electronic  equipment,  can  also  be  used  to  report  in  real  time  on  the  differentiation  of  embryonic  stem  cells.  

Differentiation  is  the  process  by  which  embryonic  stem  cells  gradually  turn  into  function-specific  types  of  adult  cells  or  so-called  “cell  lineages”  including  skin,  heart  or  brain.  

The  main  challenge  facing  stem  cell  research  is  that  of  guiding  differentiation  along  these  well-defined,  controlled  lineages.  Stem  cells  grown  in  the  laboratory  tend  to  differentiate  in  an  uncontrolled  manner,  resulting  in  a  mixture  of  cells  of  little  medical  use.  

Now,  UW-Madison  researchers  at  the  NSF-funded  Materials  Research  Science  and  Engineering  Center  (MRSEC)  have  shown  that  by  straining  mechanically  the  cells  as  they  grow,  it  is  possible  to  reduce  significantly  and  almost  eliminate  the  uncontrolled  differentiation  of  stem  cells.  

In  an  article  in  the  March  issue  of  Advanced  Functional  Materials,  the  team  reports  on  a  liquid  crystal-based  cell  culture  system  that  promises  new  ways  of  achieving  real-time  control  over  interactions  between  synthetic  materials  and  human  embryonic  stem  cells,  including  the  possibility  of  straining  embryonic  stem  cells  as  they  grow.  

“Stem  cells  tend  to  be  smaller  and  have  a  slightly  more  compact  shape  than  the  differentiated  cells,”  says  Chemical  and  Biological  Engineering  Assistant  Professor  Sean  Palecek.  “Differentiated  cells  appear  to  be  much  more  spread  and  they  appear  to  exert  different  levels  of  force  on  the  matrix  in  which  they  are  grown.  That  force  can  be  read  to  a  liquid  crystal.  Through  simple  changes  of  liquid  crystal  texture  and  color,  our  cell  culture  system  is  able  to  report,  in  real  time,  the  cell  interactions  with  the  underlying  support  on  which  they  are  grown.”  

Currently,  researchers  have  several  methods  of  monitoring  cell  differentiation.  The  easiest,  says  Palecek,  is  to  just  look  at  the  cells  and  use  cell  morphology  as  a  cue.  A  more  accurate  method  uses  molecular  markers.  Antibodies  are  placed  against  these  markers  to  determine  if  they  bind  to  the  cell.  That  system,  while  more  accurate,  does  not  provide  real  time  data  and  cells  often  have  to  be  killed  in  order  to  analyze  the  markers.  

“This  newly  devised  cell  culture  system  enables  a  new  paradigm  in  stem  cell  research,”  says  Chemical  and  Biological  Engineering  Professor  and  MRSEC  Director  Juan  de  Pablo.  “Ultimately,  we  hope  to  use  liquid  crystalline  materials  to  transmit  desired  sets  of  physical  and  chemical  cues  to  stem  cells  so  as  to  control  their  differentiation,  as  well  as  report  back  specific  responses  of  the  cells  or  tissue.  This  research  is  also  significant  as  an  example  of  our  unique  effort  to  integrate  advanced  materials  engineering  and  embryonic  stem  cell  research,  an  effort  that  will  help  accelerate  the  rate  at  which  the  benefits  of  stem-cell  based  therapies  are  brought  to  society.”  In  addition  to  Palecek  and  de  Pablo,  authors  of  the  paper  include  former  post-doctoral  researcher  Nathan  Lockwood,  Graduate  Student  Jeff  Mohr,  Researcher  Lin  Ji,  School  of  Veterinary  Medicine  (Ophthalmology)  and  Biomedical  Engineering  Professor  Christopher  Murphy,  and  Chemical  and  Biological  Engineering  Professor  Nicholas  Abbott.
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