Команда, в которую вошли инженер-механик Ю Сун (MIE), специалист по биоинженерии Родриго Фернандес-Гонсалес (IBBME) и доктор Севан Хопян из больницы SickKids, использовали визуализацию в реальном времени и компьютерные модели для изучения связей между механическими силами и изменениями в них. форма клеток и движение клеток в эмбрионе.В их исследовании, опубликованном в журнале Nature Cell Biology, использовались передовые методы, позволяющие получить ценную информацию о фундаментальных процессах развития рук и ног.Картирование роста прото-конечностей
Эмбрион сначала имеет форму шара, а затем растет, образуя сложные формы, такие как конечности. На раннем этапе эмбрионального развития клетки делятся на три слоя:эктодерма, образующая нервную систему, кожу и органы чувств;мезодерма, которая производит скелет, мышцы и большинство основных органов;энтодерма, которая превращается в дыхательные пути и системы удаления.В ходе исследования команда изучила поведение клеток в эктодерме, которое способствует развитию конечностей. Они использовали уникальные инструменты, в том числе абляционные лазеры с микродолбами, атомно-силовые микроскопы и компьютерные модели послойно, чтобы исследовать ранние стадии конечностей с беспрецедентной детальностью.
Они обнаружили, что по мере того, как клетки делятся и развиваются, то, как они взаимодействуют друг с другом, и давление, возникающее в результате движений трех клеточных слоев, могут влиять на то, насколько хорошо формируются зачатки конечностей — ранние стадии того, что становится руками или ногами.«Мы нашли удивительные доказательства того, как механические силы регулируют ремоделирование клеток в слое эктодермы и как поле напряжения изменяется, когда эктодерма меняет свою форму по мере развития», — говорит профессор Сан.До этой работы у ученых и инженеров не было инструментов и методов для понимания изменений форм в масштабе ткани и небольших групп клеток.
Благодаря своим открытиям исследователи знают, что два основных клеточных слоя, эктодерма и мезодерма, взаимодействуют друг с другом как механически, так и биохимически, то есть через молекулы, перемещающиеся взад и вперед. Это общение связано с изменениями в эмбрионе.
Инженерные идеи из мира клетки«Мысль о том, что две ткани взаимодействуют механически и что такое взаимодействие влияет на клеточное поведение, действительно впечатляет», — говорит Фернандес-Гонсалес.Для измерения механических сил авторы использовали методы, заимствованные из мира производства и инженерии, в том числе использование лазера для вырезания границ раздела между ячейками.
«Если вы держите резиновую ленту между руками, и я разрежу ее, пока она ослаблена, ничего не произойдет», — говорит Фернандес-Гонсалес. «Но если вы растянете резиновую ленту, ваши руки оторвутся, когда я разрежу ее. По сути, именно это происходит с границами ячеек», — объясняет он.«Мы знаем некоторые гены, которые важны в структуре эмбриона для продолжения развития, но мы не знаем, как эти пути связаны с движением в клетках», — говорит Хопян.Путь к предотвращению дефектов конечностей
Хотя их исследование было проведено на очень фундаментальном уровне, команда говорит, что это позволит им и другим предпринять важные дальнейшие шаги, такие как измерение сил внутри ячеек и между ними.Исследование также открывает путь к возможности создания более точных моделей ремоделирования клеток и раннего развития конечностей.
«Когда-нибудь это исследование может быть использовано в потенциальных медицинских целях для предотвращения деформаций конечностей», — говорит Хопян.Эта работа — один из первых случаев, когда исследовательская группа применила биофизические методы для изучения механики клеток и тканей у живых млекопитающих.
Возможные долгосрочные результаты в этой области исследований могут привести к лекарству, которое может изменить механическую нагрузку на клетки эмбриона, восстанавливая то, что в противном случае превратилось бы в деформированную конечность.