En ingeniørguide til embryonet

Om cirka 48 timer, den enkelte celle i det befrugtede frøæg vil undergå dramatiske ændringer for at udvikle vitale kropsdele som muskler, et skelet, øjne, et hjerte, og en haletudsehale. Forskere har studeret denne proces for bedre at forstå menneskelig udvikling, fødselsdefekt, og kræft og at fremme teknologier som organoidgenerering og celleerstatningsterapi. Forskere kan forstyrre embryoudviklingen, pause det, og fremskynde det; imidlertid, de kan ikke præcist forklare, hvordan udvikling fungerer. Støttet af National Institutes of Health (NIH), bioingeniører ved University of Pittsburgh er i gang med at forstå, hvad der foregår inde i ægget.

NIH Department of Health and Human Services tildelte Lance Davidson, professor i bioingeniør ved Pitt's Swanson School of Engineering, $1, 327, 207 for hans undersøgelse "Biomechanics of Morfogenesis." Dr. Davidson, der leder MechMorpho Lab ved University of Pittsburgh, har til formål at tage en konstruktionsingeniørs tilgang til biomekanikken ved at udvikle embryoner.

Pitt-forskerne reverse-engineerer de mekaniske processer, der former den grundlæggende kropsplan og organudvikling i embryoner ved hjælp af tests, teknikker, og værktøjer, der er mere tilbøjelige til at blive fundet i et maskinteknisk laboratorium end et molekylærgenetisk laboratorium.

"Hvis du så en bro for første gang, hvordan ville du finde ud af, at det virkede?" spørger Dr. Davidson. "En genetiker kan sprænge det i stykker og analysere, hvordan hvert stykke virker, men en ingeniør ville se på ensemblet, målinger af kraft og bevægelse. De ville lægge mere vægt på det og se, hvornår det går i stykker. Vi anvender disse strukturelle analyseprincipper til at forstå embryoner."

I de omkringliggende laboratorier, forskere arbejder med mus, banan fluer, zebrafisk, og rotter. I Dr. Davidsons laboratorium, der er Xenopus - en frø, der er hjemmehørende i Afrika syd for Sahara. Frøer er ideelle til Dr. Davidsons forskning, fordi deres embryoner og væv er utroligt tolerante over for laboratorieforhold og modstandsdygtige over for en ingeniørs 'berøring'. Selv efter at have fjernet dem fra deres beskyttende skaller, fremkalde genetiske defekter, eller indsprøjtning af fluorescerende proteinsporstoffer, disse frøer vil ikke kvække.

"Vi bruger frøer, fordi du meget nemt kan udvinde væv, og de vil fortsætte med at vokse korrekt, " Dr. Davidson siger. "Et frøøje eller hjerne kan isoleres og vil fortsætte med at vokse i en petriskål. Det vil ikke ske med en mus eller fisk. Når det ydre lag af et ikke-padderembryo skæres, embryonet vil ikke bevare sin struktur. Frøembryoner er mere som Play-doh, du kan klippe og indsætte væv og omforme dem, selvom Play-doh stadig er meget stivere end disse embryoner."

Frøæggene starter på størrelse med en blyantspids. I et studiefelt, der er vant til at rumme stålbjælker eller armeret beton målinger, Dr. Davidsons gruppe skal være kreative med de værktøjer, de bruger.

"For at udføre mikrokirurgi på frøens embryoner, vi bruger en skalpel lavet af menneskelige øjenbrynshår og en hårløkke lavet af babyhår, " siger Dr. Davidson. "Embryonerne er små, våd, og blød; imidlertid, de adlyder stadig de samme formprincipper for stål eller træ."

"En civil- eller maskiningeniør kan regelmæssigt udføre tests med ti millioner pascal stress, " fortsætter han. Ti millioner pascal handler om mængden af ​​vandtryk, der kommer ud af en højtryksrenser, og en pascal handler om, hvor meget tryk et enkelt stykke papir udøver på en bordplade. "Vi skal designe specialværktøjer, der både kan påføre og måle stress mellem fem til 20 pascal. Man kan ikke bare bestille noget som fra Amazon, så vi improviserer i vores laboratorium for at designe og fremstille specialudstyr til vores behov."

Ved at studere mekanikken bag morfogenese - processen med et embryo, der ændrer form - Dr. Davidson håber at udvikle et værktøj, der vil give bioingeniører en meget større forståelse for og kontrol over selvsamling af væv.

"Mange ingeniørfelter har en form for software eller simuleringsværktøj, der kan gætte deres design, før de rent faktisk begynder at bygge. Vi er ved at udvikle noget lignende for vævsingeniører, så de ikke behøver at stole på trial and error hele tiden , " forklarer Dr. Davidson.

Krybetest, stammekort, og mikro-aspiration er alle ingeniørteknikker, der anvendes af Dr. Davidsons team til at forstå den underliggende mekanik af morfogenese. Disse frøer bliver måske ikke til prinser i den nærmeste fremtid, men fra en lille kugle af celler, embryoet kan forme sig til en strukturelt kompleks haletudse med arbejdende organer.

"I løbet af en undersøgelse, helt tilfældigt, vi observerede to sæt æg, det ene sæt starter omkring dobbelt så stort som det andet. Vi så embryonerne udvikle sig side om side. På grund af den oprindelige størrelsesforskel, vi forventede at se mange strukturelle deformiteter eller i det mindste at haletudserne ville blive dobbelt så store. Til vores overraskelse overlevede mange af de 'store æg' embryoner, og deres haletudser voksede til samme størrelse som de 'lille æg' haletudser, på en eller anden måde formår at korrigere sig selv, mens de udviklede sig, " siger Dr. Davidson.

I en tid, hvor vævsteknologi bliver mere og mere nyttig i regenerative medicinterapier, Dr. Davidson vurderer, at der kun er omkring fem eller seks andre grupper i verden, der foretager materielle egenskabsmålinger i det levende væv hos hvirveldyr som frøer. Bygger på sin forskning og kombinerer den med resultater fra en 2016 NIH-finansieret undersøgelse "Mekanisk kontrol af mesenkymal-til-epitelovergang, " han vil fortsætte med at uddybe mekanikken ved at vokse væv.