_ O chestiune de timp : Noi cercetări arată cum dezvoltarea țesuturilor este organizată în timp

Când se dezvoltă un embrion de vertebrat, un grup de celule se autoorganizează în tubul neural, în cele din urmă devenind creierul și măduva spinării. Aceasta implică semnale specifice, dar modul în care aceste semnale sunt interpretate de celulele în curs de dezvoltare rămâne neclar. O echipă de cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie din Austria (ISTA) are acum mai multe informații, datorită organelor 2D în miniatură și matrițelor cauciucate din silicon.

Imaginați-vă o pădure adâncă. Fiecare fir de iarbă, floare, tufiș sau copac are o formă și un rol diferit. Cu toate acestea, toți se dezvoltă pe un gradient de lumină solară care se filtrează prin baldachin. Țesuturile animalelor vertebrate, inclusiv ale oamenilor, se dezvoltă într-un mod similar. Diferența: în loc de lumină, factorii determinanți sunt molecule de semnalizare numite „morfogeni”.

O echipă interdisciplinară de cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie din Austria (ISTA) a găsit acum noi perspective asupra acestor morfogene în tub neural în curs de dezvoltare — creierul și măduva-spinală. Folosind organoizi produși în laborator - țesuturi miniaturale care imită măduva spinării embrionare - oamenii de știință au reușit să observe și să studieze dinamica semnalizării morfogenului în timpul dezvoltării măduvei spinării.

Protocolul și rezultatele corespunzătoare sunt publicate în STAR Protocols și Celulă de dezvoltare, respectiv.

Morfogenii sunt produși în locuri specifice în organele în creștere și se răspândesc prin țesuturi, formând gradienți de concentrare. În funcție de concentrația de morfogene, celulele își asumă roluri diferite și formează tipare auto-organizate de tipuri de celule care stau la baza structurii organelor mature. Acesta este cazul când celulele stem (celulele precursoare) se transformă în tubul neural într-un embrion în curs de dezvoltare.

Aici, morfogeni precum „BMPs” (Proteine ​​morfogenetice osoase) și așa-numitele „Wnts” sunt motrice. semnale pentru a forma noi modele. „Modul în care acești morfogene formează gradienți de semnalizare în țesuturile în creștere este puțin înțeles”, explică Anna Kicheva. „Aflarea mai multe despre ele – și modul în care este reglementată producția de morfogene – este un aspect cheie al înțelegerii modului în care se dezvoltă întregul țesut.”

Stefanie Lehr, Ph.D. student din grupul lui Kicheva, a preluat această întrebare. „Este dificil să studiezi procesul de dezvoltare a tubului neural în embrion însuși, deoarece trebuie să manipulezi țesutul la momente specifice în locații specifice”, explică Lehr.

„La început, am generat precursori ai măduvei spinării. celule și le-am tratat cu BMP”, continuă Lehr. „Spre surprinderea noastră, după adăugarea BMP, celulele s-au transformat în toate tipurile de celule diferite ale măduvei spinării dorsale și s-au organizat frumos într-un model ordonat. Acest model s-a schimbat de-a lungul timpului într-un mod specific, la fel ca în țesutul real. „

Dar cum se face? Care este mecanismul din spatele asta? „Odată ce am văzut acest lucru, am vrut să stabilim o modalitate cantitativă de a studia acest fenomen”, adaugă ea.

Pentru a face acest lucru, au fost necesare două lucruri: un in vitro (în afara organismului viu; într-un Petri). dish) abordare care face observarea experimentală mai ușoară și reproductibilă, precum și expertiza teoretică pentru a analiza un astfel de sistem complex. Acesta din urmă a fost furnizat de colegii ISTA Edouard Hannezo și David Brückner, care studiază ambii auto-organizarea și dezvoltarea din punct de vedere teoretic. Pentru abordarea in vitro, Lehr și colegii au colaborat cu Jack Merrin, un om de știință al ISTA’s Nanofabrication Facility (NFF).

Oamenii de știință au ales să producă organoizi. Organoizii sunt versiuni simplificate ale organelor produse într-o cutie Petri care au aceleași caracteristici cheie ca și omologii lor din organism. Pentru a crește reproductibil celulele stem în organoizi cu o organizare de tip celular similară cu tubul neural real, au fost necesare constrângeri geometrice.

„Micro-modelul convențional în placa Petri nu a fost o opțiune pentru noi, deoarece tipurile de celule pe care le generăm sunt mobile și se înmulțesc rapid”, spune Lehr.

Împreună cu Jack Merrin, oamenii de știință au dezvoltat un sistem de șabloane. Ei au folosit fotolitografia - un sistem care folosește lumină pentru a crea un model pe un substrat - pentru a fabrica o matriță. Această matriță a fost apoi folosită pentru a produce șabloanele, foi de silicon cauciuc cu găuri mici. Odată plasate pe un vas Petri, celulele precursoare sunt cultivate în găuri, formând organoizi. Șabloanele sunt apoi îndepărtate pentru a permite creșterea coloniilor, mișcarea celulelor și dezvoltarea tubului neural, mimând îndeaproape condițiile naturale din embrion.

„Această metodă ne oferă o oportunitate interesantă de a studia creșterea țesuturilor și formarea modelului în într-o manieră cantitativă folosind organoizi”, adaugă Kicheva cu entuziasm.

Folosind abordarea șablonului, oamenii de știință au continuat să investigheze îndeaproape Rolul BMP în auto-organizare. Oamenii de știință au văzut că există un gradient de semnalizare a morfogenului BMP în organoid de la început. Interesant este că acest gradient apare rapid, apoi dispare, doar pentru a reapărea din nou. Dinamica similară este probabil să apară și în embrion.

Hannezo și Brückner au formulat un model matematic pentru a ajuta la dezlegarea mecanismului de bază. Analiza teoretică, combinată cu validarea experimentală, a arătat că acest comportament este determinat de buclele de feedback negativ și pozitiv interconectate care operează pe diferite scale de timp.

Inițial, celulele, în special la periferie, sunt foarte sensibile la BMP și se stabileşte un gradient de semnalizare. Acest gradient timpuriu, pe de o parte, induce inhibitori care îl închid rapid (feedback negativ). Pe de altă parte, gradientul timpuriu activează și Lmx1a — o proteină crucială în dezvoltarea tubului neural.

Lmx1a activează apoi încet BMP și face ca gradientul BMP să reapară (feedback pozitiv). Acest gradient târziu de semnalizare BMP continuă apoi să conducă la specializarea în continuare a tipurilor de celule. Acest mecanism nu numai că permite reutilizarea căii în timp, dar ajută și la cronometrarea evenimentelor ulterioare de dezvoltare.

Anterior, se considera că concentrația de morfogeni determină soarta unei celule în timpul dezvoltării. Acest studiu adaugă acum un număr tot mai mare de dovezi că schimbările temporale, mai degrabă decât concentrațiile absolute, sunt critice pentru înțelegerea modului în care destinele celulelor sunt organizate în țesuturi. Mai simplu spus, nu este vorba despre cantitatea unui declanșator, ci mai degrabă despre modul în care acesta evoluează în timp.

„Am descoperit că un simplu declanșator (aici: BMP) induce un răspuns complex în care un gradient este de sine. -generat în țesut și suferă o dinamică temporală complexă - acesta este, în esență, tipul de răspuns care stă la baza capacității embrionilor și organoizilor de a se auto-organiza", spune Kicheva.

Înțelegerea modul în care celulele se organizează în organe funcționale este o întrebare fundamentală în dezvoltarea și biologia celulelor stem. În plus, este relevant din punct de vedere medical și crucial pentru promovarea medicinei regenerative și a ingineriei tisulare — două domenii ale științei aplicate care se concentrează pe înlocuirea țesutului deteriorat sau bolnav cu țesut funcțional.

(Fluierul)