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1.
Nat Commun ; 13(1): 4864, 2022 08 18.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-35982061

RESUMO

Organoids provide an accessible in vitro system to mimic the dynamics of tissue regeneration and development. However, long-term live-imaging of organoids remains challenging. Here we present an experimental and image-processing framework capable of turning long-term light-sheet imaging of intestinal organoids into digital organoids. The framework combines specific imaging optimization combined with data processing via deep learning techniques to segment single organoids, their lumen, cells and nuclei in 3D over long periods of time. By linking lineage trees with corresponding 3D segmentation meshes for each organoid, the extracted information is visualized using a web-based "Digital Organoid Viewer" tool allowing combined understanding of the multivariate and multiscale data. We also show backtracking of cells of interest, providing detailed information about their history within entire organoid contexts. Furthermore, we show cytokinesis failure of regenerative cells and that these cells never reside in the intestinal crypt, hinting at a tissue scale control on cellular fidelity.


Assuntos
Intestinos , Organoides , Processamento de Imagem Assistida por Computador
2.
Nature ; 586(7828): 275-280, 2020 10.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-33029001

RESUMO

The development of intestinal organoids from single adult intestinal stem cells in vitro recapitulates the regenerative capacity of the intestinal epithelium1,2. Here we unravel the mechanisms that orchestrate both organoid formation and the regeneration of intestinal tissue, using an image-based screen to assay an annotated library of compounds. We generate multivariate feature profiles for hundreds of thousands of organoids to quantitatively describe their phenotypic landscape. We then use these phenotypic fingerprints to infer regulatory genetic interactions, establishing a new approach to the mapping of genetic interactions in an emergent system. This allows us to identify genes that regulate cell-fate transitions and maintain the balance between regeneration and homeostasis, unravelling previously unknown roles for several pathways, among them retinoic acid signalling. We then characterize a crucial role for retinoic acid nuclear receptors in controlling exit from the regenerative state and driving enterocyte differentiation. By combining quantitative imaging with RNA sequencing, we show the role of endogenous retinoic acid metabolism in initiating transcriptional programs that guide the cell-fate transitions of intestinal epithelium, and we identify an inhibitor of the retinoid X receptor that improves intestinal regeneration in vivo.


Assuntos
Organoides/citologia , Organoides/fisiologia , Fenótipo , Regeneração/fisiologia , Animais , Diferenciação Celular/efeitos dos fármacos , Diferenciação Celular/genética , Enterócitos/citologia , Enterócitos/efeitos dos fármacos , Homeostase/efeitos dos fármacos , Mucosa Intestinal/efeitos dos fármacos , Mucosa Intestinal/metabolismo , Intestinos/citologia , Intestinos/efeitos dos fármacos , Masculino , Camundongos , Camundongos Endogâmicos C57BL , Organoides/efeitos dos fármacos , Organoides/metabolismo , Receptores do Ácido Retinoico/antagonistas & inibidores , Receptores do Ácido Retinoico/metabolismo , Regeneração/efeitos dos fármacos , Análise de Sequência de RNA , Transdução de Sinais/efeitos dos fármacos , Transcrição Gênica/efeitos dos fármacos , Tretinoína/metabolismo , Vitamina A/farmacologia
3.
Nature ; 569(7754): 66-72, 2019 05.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-31019299

RESUMO

Intestinal organoids are complex three-dimensional structures that mimic the cell-type composition and tissue organization of the intestine by recapitulating the self-organizing ability of cell populations derived from a single intestinal stem cell. Crucial in this process is a first symmetry-breaking event, in which only a fraction of identical cells in a symmetrical sphere differentiate into Paneth cells, which generate the stem-cell niche and lead to asymmetric structures such as the crypts and villi. Here we combine single-cell quantitative genomic and imaging approaches to characterize the development of intestinal organoids from single cells. We show that their development follows a regeneration process that is driven by transient activation of the transcriptional regulator YAP1. Cell-to-cell variability in YAP1, emerging in symmetrical spheres, initiates Notch and DLL1 activation, and drives the symmetry-breaking event and formation of the first Paneth cell. Our findings reveal how single cells exposed to a uniform growth-promoting environment have the intrinsic ability to generate emergent, self-organized behaviour that results in the formation of complex multicellular asymmetric structures.


Assuntos
Intestinos/citologia , Organoides/citologia , Organoides/crescimento & desenvolvimento , Proteínas Adaptadoras de Transdução de Sinal/genética , Proteínas Adaptadoras de Transdução de Sinal/metabolismo , Animais , Proteínas de Ligação ao Cálcio , Proteínas de Ciclo Celular , Peptídeos e Proteínas de Sinalização Intercelular/metabolismo , Camundongos , Organoides/metabolismo , Celulas de Paneth/citologia , Fosfoproteínas/genética , Fosfoproteínas/metabolismo , Receptores Acoplados a Proteínas G/metabolismo , Análise de Célula Única , Proteínas de Sinalização YAP
4.
Nat Cell Biol ; 17(8): 994-1003, 2015 Aug.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-26214132

RESUMO

The use of human pluripotent stem cells for in vitro disease modelling and clinical applications requires protocols that convert these cells into relevant adult cell types. Here, we report the rapid and efficient differentiation of human pluripotent stem cells into vascular endothelial and smooth muscle cells. We found that GSK3 inhibition and BMP4 treatment rapidly committed pluripotent cells to a mesodermal fate and subsequent exposure to VEGF-A or PDGF-BB resulted in the differentiation of either endothelial or vascular smooth muscle cells, respectively. Both protocols produced mature cells with efficiencies exceeding 80% within six days. On purification to 99% via surface markers, endothelial cells maintained their identity, as assessed by marker gene expression, and showed relevant in vitro and in vivo functionality. Global transcriptional and metabolomic analyses confirmed that the cells closely resembled their in vivo counterparts. Our results suggest that these cells could be used to faithfully model human disease.


Assuntos
Diferenciação Celular , Linhagem da Célula , Células Endoteliais/fisiologia , Células-Tronco Pluripotentes Induzidas/fisiologia , Músculo Liso Vascular/fisiologia , Miócitos de Músculo Liso/fisiologia , Animais , Becaplermina , Biomarcadores/metabolismo , Proteína Morfogenética Óssea 4/farmacologia , Diferenciação Celular/efeitos dos fármacos , Linhagem Celular , Linhagem da Célula/efeitos dos fármacos , Técnicas de Cocultura , Relação Dose-Resposta a Droga , Células Endoteliais/efeitos dos fármacos , Células Endoteliais/enzimologia , Células Endoteliais/transplante , Perfilação da Expressão Gênica/métodos , Regulação da Expressão Gênica no Desenvolvimento , Quinase 3 da Glicogênio Sintase/antagonistas & inibidores , Quinase 3 da Glicogênio Sintase/metabolismo , Glicogênio Sintase Quinase 3 beta , Células Endoteliais da Veia Umbilical Humana/fisiologia , Humanos , Células-Tronco Pluripotentes Induzidas/efeitos dos fármacos , Células-Tronco Pluripotentes Induzidas/enzimologia , Células-Tronco Pluripotentes Induzidas/transplante , Metabolômica/métodos , Camundongos Endogâmicos NOD , Camundongos SCID , Músculo Liso Vascular/citologia , Músculo Liso Vascular/efeitos dos fármacos , Músculo Liso Vascular/enzimologia , Músculo Liso Vascular/transplante , Miócitos de Músculo Liso/efeitos dos fármacos , Miócitos de Músculo Liso/enzimologia , Miócitos de Músculo Liso/transplante , Neovascularização Fisiológica , Fenótipo , Inibidores de Proteínas Quinases/farmacologia , Proteínas Proto-Oncogênicas c-sis/farmacologia , Fatores de Tempo , Transcrição Gênica , Transfecção , Fator A de Crescimento do Endotélio Vascular/farmacologia , Via de Sinalização Wnt/efeitos dos fármacos
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