Nature杂志最新报道——利用小鼠胚胎干细胞构建出内耳

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　　在一项新的研究中，来自美国印第安纳大学医学院的EriHashino教授和他的研究团队将小鼠胚胎干细胞转化为内耳的关键性结构。这一发现有助深入认识这种感觉器官的发育过程，同时也为开发出实验室疾病模型、药物发现和治疗听力丧失和平衡障碍的潜在疗法奠定基础。

　　在这项研究中，研究人员报道，通过利用一种三维细胞培养方法，他们能够诱导胚胎干细胞发育成能够检测声音、头部运动和重力的内耳感觉上皮组织(含有毛细胞、支持性细胞和神经元)。相关研究结果发表在《Nature 自然》期刊上，论文标题为“Generation of inner earsensory epithelia from pluripotent stem cells in 3D culture”。

　　之前在标准细胞培养系统中培养内耳毛细胞的努力都未取得较好的结果，这部分上因为长出毛束(hairbundle)所必需的信号在平的细胞培养盘碟中是缺乏的。毛束是感觉毛细胞的一种典型特征，也是一种在检测听觉信号或前庭信号中发挥着至关重要的结构。但是，Hashino教授说，他的研究团队确定出这些干细胞需要在一种特殊的培养基中作为聚集物进行悬浮培养，这是因为这种特殊的培养基提供一种更加类似于在早期发育期间在体内发现到的环境。

　　该研究团队通过进行精确的时间选择来使用几种促进干细胞分化为内耳前体结构的小分子来模拟早期的发育过程。不过，论文第一作者KarlR. Koehler说，这种三维的悬浮培养也提供重要的机械信号，如细胞彼此之间所产生的拉力。

　　Koehler说，“这种三维的培养方法允许干细胞利用在胚胎发育期间发现到的机械信号自我组装成复杂的组织。”

Hashino教授说，“我们吃惊地观察到一旦干细胞经诱导变成内耳前体结构并在三维环境中进行培养时，这些细胞似乎不仅知道如何产生内耳中不同类型的细胞，而且还知道如何组装成极其类似于内耳的天然结构。我们的初始目标是通过培养制造出内耳前体结构，但是当我们进行测试时，我们在盘碟中发现上千个毛细胞。”

　　电生理学测试进一步证实由干细胞产生的这些毛细胞是功能性的，能够感知重力和运动。再者，类似于在正常情形中连接内耳细胞与大脑的那些神经元的细胞也在这种细胞培养环境中产生，并且与毛细胞形成连接。

不过，研究人员说，还需进一步的研究来确定参与听觉的内耳细胞是如何产生的，以及这些过程如何能够应用于人内耳细胞中。

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Nature. 2013 Aug 8;500(7461):217-21. doi:10.1038/nature12298. Epub 2013 Jul 10.

Generation of inner earsensoryepithelia from pluripotentstem cells in 3Dculture.

Abstract

The inner ear contains sensoryepithelia that detect head movements, gravity and sound. It isunclear how to develop these sensoryepithelia from pluripotent stem cells, a process that will be critical for modelling inner ear disorders or developing cell-based therapies forprofound hearing loss and balance disorders. So far, attempts to derive inner ear mechanosensitive hair cells and sensoryneurons have resulted in inefficient or incomplete phenotypic conversion of stemcellsinto inner-ear-like cells.A key insight lacking from these previous studies is the importance of thenon-neural and preplacodal ectoderm, two critical precursors during inner ear development. Here we report the stepwisedifferentiation of innerearsensoryepitheliafrom mouse embryonic stemcells (ESCs) in three-dimensional culture. We show that by recapitulating in vivo developmentwith precise temporal control of signalling pathways, ESC aggregates transformsequentially into non-neural, preplacodal and otic-placode-like epithelia. Notably, in a self-organized process that mimicsnormal development, vesicles containing prosensory cells emerge from the presumptive otic placodes and giverise to hair cells bearing stereocilia bundles and a kinocilium.Moreover, these stem-cell-derived hair cells exhibit functional properties of nativemechanosensitive hair cellsand form specialized synapses with sensoryneurons that have also arisen from ESCs in the culture. Finally, we demonstrate how these vesicles arestructurally and biochemically comparable to developing vestibular end organs.Our data thus establish a new in vitro model of inner ear differentiation that can be used to gain deeperinsight into innerear development and disorder.