Forskere afslører den smukke enkelhed, der ligger til grund for forgreningsmønstre i væv

I hundredåret for udgivelsen af ​​en banebrydende afhandling om de fysiske og matematiske principper, der ligger til grund for naturen - On Growth and Form af D'Arcy Wentworth Thompson - har en fysiker fra Cambridge ledet en undersøgelse, der beskriver en elegant simpel løsning på et puslespil, der har belastet biologer. i århundreder:hvor komplekse forgreningsmønstre af væv opstår.

Forgreningsmønstre forekommer i hele naturen - i træer, bregner og koraller, for eksempel - men også i en meget finere skala, hvor de er afgørende for at sikre, at organismer effektivt kan udveksle gasser og væsker med miljøet ved at maksimere det tilgængelige overfladeareal.

For eksempel, i tyndtarmen, epitelvæv er arrangeret i en række fingerlignende fremspring. I andre organer, såsom nyre, lunge, mælkekirtler, bugspytkirtel og prostata, udvekslingsoverflader er pakket effektivt omkring indviklede forgrenede epitelstrukturer.

"På overfladen, spørgsmålet om, hvordan disse strukturer vokser - strukturer, der kan indeholde så mange som 30 eller 40 generationer af forgrening - virker utrolig komplekst, "siger professor Ben Simons, der ledede undersøgelsen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Celle . Professor Simons har stillinger i University of Cambridge's Cavendish Laboratory og Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute.

Dette klassiske problem med 'forgrenende morfogenese' har tiltrukket sig opmærksomhed fra forskere og matematikere i århundreder. Ja, det matematiske grundlag for morfogenese - den biologiske proces, der får organismer til at udvikle deres form - var emnet for D'Arcy Wentworth Thompsons klassiske tekst, udgivet i 1917 af Cambridge University Press. Thompson havde været studerende på Cambridge, studerede zoologi på Trinity College, og arbejdede kortvarigt som juniordemonstrator i fysiologi.

Under udviklingen, forgreningsstrukturer er orkestreret af stamcellignende celler, der driver en proces med duktal vækst og division (eller 'bifurkation'). Hver efterfølgende gren vil derefter enten stoppe med at vokse, eller fortsæt med at forgrene igen. I en undersøgelse offentliggjort i Natur tidligere i år, Professor Simons, der arbejder i samarbejde med Dr. Jacco van Rheenen ved Hubrecht Institute i Utrecht viste, at, i mælkekirtlen, disse opdelings- og afslutningsprocesser sker tilfældigt, men med næsten lige stor sandsynlighed.

"Mens der foregår en kollektiv beslutningsproces, der involverer flere forskellige stamcelletyper, vores opdagelse af, at vækst sker næsten ved at vende en mønt, antydede, at der kan være en meget simpel regel, der understøtter den, siger professor Simons.

Professor Simons og hans kollega Dr. Edouard Hannezo observerede, at der var meget lidt krydsning af grenene - kanaler så ud til at udvide sig for at fylde rummet, men ikke overlapning. Dette fik dem til at formode, at kanalerne voksede og delte sig, men så snart en spids rørte en anden gren, det ville stoppe.

"På denne måde, du opretter et perfekt rumfyldende netværk, med netop den observerede statistiske organisation, via den enkleste lokale instruktion:du forgrener dig, og du stopper, når du møder en modningskanal, " siger Dr Hannezo, en Sir Henry Wellcome postdoktor med base på Gurdon Institute. "Dette har enorme konsekvenser for den grundlæggende biologi. Det fortæller dig, at komplekse forgrenede epitelstrukturer udvikler sig som en selvorganiseret proces, afhængig af en påfaldende enkel, men generisk, Herske, without recourse to a rigid, pre-determined sequence of genetically programmed events."

Although these observations were based on the mammary gland epithelium, by using primary data from Dr Rosemary Sampogna at Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, for eksempel, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."