Как наши клетки организуются, чтобы придать окончательную форму нашим органам? Ответ лежит в морфогенезе, совокупности механизмов, регулирующих их распределение в пространстве во время эмбрионального развития. Команда из Женевского университета (UNIGE) только что сделала удивительное открытие в этой области: когда ткань изгибается, объем составляющих ее клеток увеличивается, а не уменьшается. Это открытие открывает новые возможности для культивирования органов in vitro, что является частичной альтернативой экспериментам на животных. Он также предлагает новые перспективы для производства некоторых материалов. Это исследование опубликовано в журнале Developmental Cell .
В биологии механизмы, определяющие распределение клеток в пространстве для формирования формы и структуры наших тканей и органов, называются «морфогенезом». Эти механизмы работают во время эмбрионального развития и объясняют, как, например, формируются складки нашего кишечника или альвеолы наших легких. Другими словами, эти явления лежат в основе нашего развития и развития всех живых существ.
Клетки набухают, и это неожиданно
В недавнем исследовании команда профессора Ру изучала, как клетки, из которых состоит ткань, реагируют и адаптируются, когда она сгибается. Свернув монослой клеток in vitro, который представляет собой компактную плоскую совокупность клеток, расположенных рядом друг с другом, ученые UNIGE сделали парадоксальное открытие. «Мы обнаружили, что объем клеток, расположенных в кривизне, увеличился примерно на 50% через пять минут вместо того, чтобы уменьшиться, а затем вернулся к норме в течение 30 минут», — объясняет Орельен Ру, последний автор этого исследования. Это противоположно тому, что можно наблюдать при изгибе эластичного материала.
Изгибая этот «лист» клеток, похожий на тот, из которого состоит наша кожа, исследователи более точно заметили, что последняя набухает, принимая форму небольших куполов. «Тот факт, что это увеличение объема носит временной и временный характер, также показывает, что это активная и живая система», — добавляет Катерина Томба, первый автор исследования и бывший научный сотрудник кафедры биохимии UNIGE.
Механическое и биологическое явление
Именно сочетание двух явлений объясняет это увеличение объема. «Первый — это механическая реакция на искривление, второй связан с осмотическим давлением , оказываемым на клетку», — говорит Орельен Ру. Клетки развиваются в среде, состоящей из соленой воды . Полупроницаемая мембрана , отделяющая их от окружающей среды, пропускает воду, но не соль, оказывающую определенное давление на клетку. Чем выше концентрация соли снаружи и, следовательно, так называемое осмотическое давление, тем больше воды будет проходить через клеточную мембрану, увеличивая ее объем.
«Когда вызывается искривление, клетки реагируют так, как если бы осмотическое давление увеличивалось. Поэтому они поглощают больше воды, что приводит к их набуханию», — объясняет исследователь.
Полезно для сокращения экспериментов на животных
Понимание того, как клетки реагируют на изгиб, является важным шагом вперед в развитии органоидов in vitro. Эти трехмерные многоклеточные структуры, разработанные для имитации микроанатомии органа и его функций, действительно могут позволить провести множество исследований без необходимости экспериментов на животных. «Наше открытие — активное явление, которое необходимо учитывать, чтобы контролировать спонтанный рост органоидов, то есть для получения желаемой формы и размера органа», — говорит Орельен Ру. Долгосрочной целью будет возможность «вырастить» любой замещающий орган для определенных пациентов.
Эти результаты представляют интерес и для промышленности. «Сегодня нет материалов, которые увеличиваются в объеме при складывании. Инженеры придумали такой материал, даже не осознавая этого, потому что его производство было чрезвычайно сложным. Поэтому наша работа также предлагает новые ключи к пониманию разработки таких материалов», — заключает Орельен.
