Strukturdannelse i miniorganer

Udviklingen af ​​alveoler i organoider afledt af brystkirtelvæv følger de samme fysiske principper som dannelsen af ​​diskrete dråber i en vandstråle.

Mange af de organsystemer, der findes i dyr, udviser meget komplekse strukturer, som er afgørende for deres forskellige funktioner. Hvordan sådanne strukturer udvikler sig under embryonal udvikling er et centralt spørgsmål i biologien. Fysikere ledet af Erwin Frey (professor i statistisk og biologisk fysik ved LMU München) og Andreas Bausch (professor i cellulær biofysik ved det tekniske universitet i München) undersøgte dette grundlæggende problem ved hjælp af miniorganer, der betegnes som organoider, som deres eksperimentelle system. Holdet fokuserede på de sfæriske 'alveoler', hvor kanalerne i den lakterende mælkekirtel ender. Undersøgelsen viste i detaljer, at disse alveoler dannes efter de samme principper som dråber i en vandstråle, der kommer ud af en slange.

Det eksperimentelle arbejde blev udført i Bauschs laboratorium og brugte mælkekirtelorganoider dyrket i kultur fra udskåret humant væv. Organoider er tredimensionelle modelsystemer, der udviser mange af de fysiologisk relevante egenskaber ved det organ, de stammer fra. Dermed, mælkekirtelorganoider danner kanaler, der forgrener sig til klynger af mindre rørlignende strukturer, som hver ender i en sfærisk sæk eller alveolus. Denne arkitektur er typisk for den ammende menneskelige mælkekirtel, men det findes også i mange andre organer inklusive lungerne. Det lykkedes Bausch og hans gruppe for første gang at følge miniorganernes vækstdynamik over flere dage via time-lapse mikroskopi. Ud over, de undersøgte det udviklende vævs mikromekaniske respons på det lokaliserede, laserinduceret ablation af celler.

Ved at bruge denne strategi, forskerne var i stand til at forbinde dannelsen af ​​de sfæriske alveoler med en ændring i bevægelsesretningen af ​​cellerne i det udviklende væv. Cellerne i hver tubuli er konstant i bevægelse, trække på deres nærmeste naboer. I starten de vandrer kollektivt frem og tilbage langs væggene i tubuli. "Men på et tidspunkt, cellerne i spidserne af tubuli begynder at følge et rotationsforløb. Denne ændring i adfærd, forbundet med interaktioner mellem naboceller, forplanter sig derefter bagud, indtil alle celler nær spidsen af ​​en gren begynder at rotere som et kollektiv, " siger Andriy Goychuk, medlem af Erwin Freys forskningsgruppe og fælles førsteforfatter til publikationen. Hans kolleger Pablo Fernandez og Benedikt Buchmann i Andreas Bauschs gruppe, hvem udførte ablationsforsøgene, forklare hvad der sker som følger. "Cellerne udøver ikke længere den samme kraft i alle retninger, hvilket resulterer i en ændring i deres bane. Mens de celler, der veksler mellem fremadgående og bagudgående bevægelse, udøver mere kraft i retning af rørets akse end rundt om dets omkreds, det er ikke længere tilfældet for de celler, der følger et rotationsforløb. Takket være den større trækbelastning langs omkredsen, spidsen af ​​hvert rør udvikler sig til et sfærisk fremspring."

Ifølge forfatterne, dannelsesmåden for de sfæriske fremspring er analog med den mekanisme, der er ansvarlig for dannelsen af ​​dråber i en vandstråle. Ligesom cellerne i den udviklende organoid, overfladen af ​​vandstrålen er under spænding. Alle genstande, der udsættes for en trækkraft, forsøger at minimere deres overflade. Da overfladearealet af en kugle er mindre end en cylinders, vandstrålen bryder op i adskilte dråber - og i mælkekirtelvævet, rotationen af ​​de forreste celler ændrer kraftbalancen i de rørformede grene på en sådan måde, at de bliver ustabile, som i tilfældet med vandstrålen, og danner sfæriske fremspring. "Denne teoretiske model giver en vigtig ramme for analysen af ​​mere komplicerede geometriske transformationer i biologiske væv - såsom dem, der opstår under udviklingen af ​​spytkirtlerne, bugspytkirtlen, nyrerne og lungerne, " siger Frey.