Een introductie tot het kuiken: Gallus gallus domesticus

De ontwikkelende kip, of het kuiken, formeel bekend als Gallus gallus domesticus, is een belangrijk modelsysteem voor biomedisch onderzoek. In elk kippenei bevindt zich een embryo dat kan worden onderworpen aan genetische en embryologische manipulaties. Dergelijke experimenten zijn relevant voor de menselijke gezondheid en ziekte vanwege de overeenkomsten tussen het menselijke en het kippenroom. Deze video geeft een overzicht van het kippen-modelsysteem, enkele belangrijke ontdekkingen die bij het kuiken zijn gedaan, en een paar boeiende voorbeelden van hoe deze tegenwoordig in laboratoria worden gebruikt.

Voordat we ingaan op de wetenschappelijke waarde van het kuiken, bespreken we eerst enkele basisprincipes van de biologie van de kip. Net als reptielen en zoogdieren behoort Gallus gallus tot de vertebratenclade Amniota, die wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van extra-embryonale membranen die de ontwikkeling van het embryo ondersteunen. De evolutie van dit membraansysteem binnen het ei stelde de voorouderlijke amniote miljoenen jaren geleden in staat om in een landomgeving te leven, wat vrijwel bewijst dat het ei als eerste kwam!

Binnen de klasse Aves behoren kippen tot de familie Phasianidae van landvogels, die het grootste deel van hun leven op het land doorbrengen. De vogels die wij kennen als een smakelijke voedselbron zijn in feite een ondersoort van Gallus gallus, algemeen bekend als de rode junglehoen, die voorkomt in Zuidoost-Azië. Tegenwoordig worden wereldwijd miljarden kippen gefokt voor de productie van vlees en eieren.

Deze vogels vormen duidelijk een groot onderdeel van het menselijke dieet, maar wat eten ze graag? Kippen zijn omnivoren die de grond afzoeken naar insecten, zaden en vegetatie. Hennen hebben vooral behoefte aan een goede maaltijd, omdat ze veel energie steken in het produceren van eieren, die bijna dagelijks worden gelegd. Als er een mannetje in de buurt is, merk je dat direct; hanen zijn groter, kleurrijker en een stuk luidruchtiger!

Wanneer hanen en hennen paren, begint de levenscyclus met interne bevruchting. Een ei wordt 25 uur later gelegd, waarin een meercellig embryo zich bevindt. Na 21 dagen incubatie komt er een kuiken uit het ei. Bij de meeste kippen wordt de seksuele rijping rond de 31ste week bereikt, waarmee de cyclus is voltooid.

Laten we nu kijken waarom dit veelvoorkomende boerderijdier populair is in het wetenschappelijk onderzoek. Ten eerste zijn bevruchte kippeneieren het hele jaar door tegen relatief lage kosten gemakkelijk verkrijgbaar. Ten tweede kunnen ontwikkelingsexperimenten nauwkeurig worden getimed door de incubatietemperatuur te reguleren.

Ten derde, aangezien het embryo zich extern ontwikkelt, hoeven wetenschappers slechts een venster in de schaal te snijden om de meeste ontwikkelingsstadia te kunnen bereiken. De embryo's tolereren experimentele manipulaties bovendien zeer goed, omdat het eiwit, of albumine, van nature antibacterieel is.

Ten slotte, maar zeker niet minder belangrijk, zijn de genomen van de kip en de mens sterk geconserveerd. Ondanks het feit dat het kippenresoom ongeveer een derde van de grootte van het menselijk genoom heeft, bevat het een vergelijkbaar aantal genen. Hiervan komt 60% overeen met een menselijk gen en zijn ze gemiddeld voor 75% identiek aan hun menselijke tegenhanger.

Nu we hebben besproken waarom kuikens een uitstekend model zijn, laten we enkele belangrijke ontdekkingen bespreken die binnen dit systeem zijn gedaan. Onderzoek naar kuikens gaat terug tot het oude Griekenland, toen Aristoteles postuleerde dat de extra-embryonale vliezen die hij observeerde in ontwikkelende kippeneieren, evenals de menselijke placenta en navelstreng, beide cruciale voeding leveren aan het embryo. Veel later, in 1672, beschreef Marcello Malpighi voor het eerst fundamentele vertebrale structuren in het ontwikkelende kippenembryo, zoals de neurale buis, die het zenuwstelsel vormt, en de somiten, die aan de basis liggen van diverse weefsels, zoals skeletspieren.

In 1817 bestudeerde Heinz Christian Pander kippenembryo's in een vroeg stadium en ontdekte hij drie primordiale cellagen, bekend als de kiemlagen. Cellen uit deze lagen: het ectoderm, mesoderm en endoderm, vormen vervolgens alle weefsels waaruit een organisme bestaat. Voor dit werk kreeg Pander de titel: De Grondlegger van de Embryologie.

In 1951 publiceerden Viktor Hamburger en Howard L. Hamilton een stadiëringsserie bestaande uit 46 fasen om embryo's te identificeren op basis van anatomie, van vers gelegde eieren tot aan het uitkomen. De Hamburger- en Hamilton-stadiëringsserie biedt biologen die met kuikens werken een manier om de stadiëring van de bestudeerde embryo's te standaardiseren, waardoor variabelen die worden veroorzaakt door verschillende incubatietemperaturen worden verminderd.

Ook in de jaren 50 ontdekte Rita Levi-Montalcini een mysterieuze factor die ervoor zorgde dat neuronen van kuikens groeiden wanneer ze werden blootgesteld aan getransplanteerde muistumoren. Stanley Cohen hielp bij het identificeren van deze onbekende verbinding als NGF, of nerve growth factor. Voor dit werk wonnen zij in 1986 de Nobelprijs.

Nu we hebben besproken hoe onderzoek bij kuikens heeft geleid tot belangrijke ontdekkingen, laten we eens kijken naar hoe kuikens tegenwoordig in laboratoria worden gebruikt.

Ten eerste worden kiजenembryo's regelmatig gebruikt om vroege celbewegingen te volgen. Om cellen van hun buren te kunnen onderscheiden, transplanteren wetenschappers cellen van andere vogelsoorten, zoals de kwartel, in kiženembryo's. Met behulp van kwartelspecifieke markers worden de cellen gedurende meerdere dagen gevolgd terwijl ze worden ingebouwd in ontwikkelende structuren.

Kuikens zijn ook uiterst nuttig voor het bestuderen van neuronaal patroonvorming. Neuraal weefsel dat uit een embryo is gewonnen, kan worden gebruikt om axonale tracing, schakelingen en zelfs neuronale activiteit te onderzoeken.

Ten slotte is het chorioallantoïsche membraan, ook wel bekend als het CAM, een sterk gevasculariseerd membraan dat veelvuldig wordt gebruikt voor kankeronderzoek. Kijzenembryo's zijn van nature immuundeficiënt, waardoor getransplanteerde menselijke kankercellen gemakkelijk bloedvaten binnen het CAM kunnen opeisen om tumoren te vormen. De verspreiding van kankercellen, of metastase, kan eenvoudig worden bestudeerd in deze zeer nuttige assay.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over Gallus gallus bekeken. Deze video heeft een kort overzicht gegeven van deze vogels, de kenmerken die hun embryo's tot uitstekende modelorganismen maken, belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen die bij het kuiken zijn gedaan, en een glimp van de manieren waarop ze worden gebruikt in biologisch onderzoek. Bedankt voor het kijken!