Jeder Darmzotten besteht aus zwei Hauptgewebekompartimenten: einer epithelialen Oberflächenschicht und einem mesenchymalen Kern. Der Dünndarm der Maus wird am embryonalen Tag 10 gebildet, wenn sich eine Endodermschicht schließt und zu einer Epithelröhre versiegelt, die von mesenchymalen Zellen umgeben ist3. Diese flache Epithelröhre durchläuft eine schnelle Proliferation, wächst sowohl in der Länge als auch im Umfang und erfährt dramatische Umlagerungen, die mit dynamischen Veränderungen der Zellform einhergehen1. Gleichzeitig durchläuft das umgebende Mesenchym auch viele Entwicklungsprozesse, einschließlich der Bildung des Gefäßplexus, der Differenzierung der glatten Muskulatur und der Rekrutierung enterischer Neuronen4. Im proximalen Dünndarm beginnen sich am embryonalen Tag 14.5 Kondensationen (Cluster) von Hedgehog- und PDGF-responsiven Zellen neben dem Epithelzu bilden 2,5. Die Bildung von mesenchymalen Clustern breitet sich weiter über die gesamte Länge des Darms aus, so dass sie am Embryonaltag den gesamten Dünndarm bedecken 16.52. Wenn sich mesenchymale Cluster bilden, beginnen die Epithelzellen, die den Clustern am nächsten liegen, sich aus dem Zellzyklus zurückzuziehen, während sich die anderen Epithelzellen weiter vermehren. Die Zellen direkt über dem mesenchymalen Cluster, die sich aus dem Zellzyklus zurückgezogen haben, beginnen ihre Form zu verändern, wenn sich der entstehende Zotten in das Lumen einknickt. Das weitere Wachstum der Zotten wird zum Teil durch die anhaltende Vermehrung des Epithels zwischen den entstehenden Zotten vorangetrieben. Die mesenchymalen Cluster bleiben fest mit dem Epithel des wachsenden Zottus verbunden und exprimieren weiterhin eine Vielzahl von Signalmolekülen. Die Welle des Zottenaufkommens breitet sich entlang der Länge des Dünndarms aus, nachdem sich mesenchymale Cluster gebildet haben. Wenn der Darm weiter wächst und sich die Intervillusregion zwischen den entstehenden Zotten ausdehnt, bilden sich neue mesenchymale Cluster neben dem Intervillusepithel und es folgen weitere Runden des Zottenaufkommens und -wachstums6.
Die synchronisierte Entwicklung des Epithels und des Mesenchyms ist essentiell für die Morphogenese des Zottens. Signalmoleküle werden von einer Schicht zur anderen sezerniert, wo Rezeptoren die Signalbotschaft empfangen und weiterleiten, um die Entwicklung zwischen Epithel und Mesenchym zu koordinieren. Mesenchymale Cluster fungieren als Signalzentren und exprimieren eine Vielzahl von Entwicklungsmorphogenen7-10. Eine Störung der Clusterbildung oder des Clustermusters führt zum Verlust des Aufkommens und des Musters der Zotten. Die Hemmung des PDGF-Signalwegs führt zu weniger Clustern und weniger Zotten, und die Zotten, die sich bilden, sind nach den abnormalen Clustern unförmig11. Der Verlust des Hedgehog-Signalwegs führt zum vollständigen Verlust der Clusterbildung und zum Versagen des Zottenaufkommens2,12. Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass Cluster die Entwicklung des Zottenepithels mit seinem mesenchymalen Kern koordinieren.
Mit diesem gesamten Organkultursystem sind wir in der Lage, die Signalübertragung zu verändern, die an der epithelial-mesenchymalen Cluster-Cross-Talk beteiligt ist, um die Rolle dieser Signale bei der Zotten-Morphogenese zu bestimmen. Konfokale optische Schnitte und Rekonstruktionen mit zwei Photonen ermöglichen es, die Clusterbildung und das Aufkommen von Zotten dreidimensional zu visualisieren und die räumlichen Beziehungen zwischen den mesenchymalen Clustern und ihrem darüber liegenden Epithel besser zu verstehen. Wenn wir das Kultursystem auf vier Dimensionen erweitern, können wir Z-Stacks von sich entwickelnden Clustern und Zotten im Laufe der Zeit erfassen und diese Wechselwirkungen beobachten. Letztendlich wird die Fähigkeit, die Entwicklung des Zottens auf diese Weise zu verfolgen und Veränderungen zu beobachten, die mit veränderten Signalen auftreten, das Verständnis der epithelialen mesenchymalen Wechselwirkungen in der Zottenmorphogenese revolutionieren.