Een inleiding tot organogenese

Wetenschappers op het gebied van organogenees onderzoeken de ontwikkeling van organen met zeer gespecialiseerde vormen en functies.

Organen ontstaan relatief laat tijdens de ontwikkeling, nadat de embryonale cellen zich hebben gerangschikt in drie afzonderlijke cellagen, bekend als de kiembanden. Door te overwegen hoe organen worden gevormd, kunnen onderzoekers beter begrijpen hoe individuele organen functioneren en therapieën creëren die ziektes bij mensen die gerelateerd zijn aan orgaanfalen, zullen corrigeren.

Deze video presenteert een korte geschiedenis van onderzoek naar organogenees, introduceert belangrijke vragen gesteld door embryologen die orgaanvorming bestuderen, beschrijft enkele beschikbare hulpmiddelen om die vragen te beantwoorden en bespreekt ten slotte lopende experimenten die in het veld worden uitgevoerd.

Laten we beginnen met een aantal mijlpaalstudies in de geschiedenis van onderzoek naar organogenees te bekijken.

In de jaren 1820 beschreven Karl von Baer en Christian Heinrich Pander de kiembandentheorie van ontwikkeling. Op basis van het kippemodel, stelden von Baer en Pander voor dat alle embryo's van gewervelde dieren uit drie verschillende primaire cellagen bestaan, die samen alle volwassen organen vormen. Het endoderm geeft aanleiding tot diepe weefsels zoals de bekleding van de darm en de luchtwegen, het mesoderm vormt middelste weefsels inclusief spier en bloed, en het ectoderm genereert meer oppervlakkige weefsels zoals huid en zenuwen.

Zestig jaar later in 1885 publiceerde Wilhelm His de eerste atlas van menselijke embryo's, gereconstrueerd uit microscopische secties. Deze collectie leverde een van de eerste gedetailleerde beschrijvingen van organogenees, en hypotheseerde over hoe verschillende groepen cellen zichzelf rangschikken om organen zoals het hart, ogen en hersenen te vormen.

In 1924 ondernamen embryologen Hans Spemann en Hilde Mangold een meer experimentele aanpak om organogenees te bestuderen: ze voerden weefseltransplantaties uit bij amfibieën om een ​​regio van het zich ontwikkelende embryo te bestuderen, nu bekend als de Spemann-organisator. Het transplanteren van de organisator van de ene embryo naar een ander induceerde de vorming van secundaire neurale weefsels. Deze verandering in ontwikkelingspatronen als gevolg van cellulaire interacties werd bekend als "inductie", en is een kritische eerste stap in de vorming van veel organen.

In de decennia na deze grote ontdekking betekenden vorderingen in de microscopie en moleculaire biologie dat embryo's nu konden worden bestudeerd op cellulair en moleculair niveau. In de jaren 1940 gebruikte Salome Gluecksohn-Waelsch de muis als model om te begrijpen dat specifieke genen orgaanontwikkeling konden reguleren. Ze toonde aan dat muizen met mutaties in het T-locus gen belangrijke structuren in het zich ontwikkelende zenuwstelsel misten, zoals de notochord.

Dit werk maakte de weg vrij voor W. T. Green om de generatie van weefsels in vitro te onderzoeken tijdens de jaren 1970 door gezonde kraakbeencellen, gekweekt in het laboratorium, te implanteren in naakte muizen. Hoewel onsuccesvol, hielpen Green's bevindingen in 1981 onderzoekers, zoals Ioannis Yannas en Eugene Bell, weefsel gekweekt in vitro weer in levende dieren te introduceren.

Nu we enkele historische hoogtepunten hebben besproken, laten we een paar fundamentele vragen onderzoeken die het gebied van organogenees vandaag de dag stelt.

We beginnen misschien met de breedste vraag gesteld door embryologen: hoe transformeren groepen cellen zich in hoog gestructureerde organen? Voor antwoorden focussen onderzoekers vaak op gedefinieerde morfologische gebeurtenissen, zoals de vertakking van eenvoudige buizen in complexe tubulaire netwerken. De mechanismen die deze processen in één weefsel controleren, kunnen vergelijkbaar zijn met die gebruikt in andere weefsels met analoge structuren, wat onderzoekers aanwijzingen geeft over hoe ze hun experimenten kunnen ontwerpen.

Embryologen zijn ook geïnteresseerd in hoe specifieke genen orgaanontwikkeling richten. Sommigen focussen op individuele genen en hoe hun producten functioneren om de grootte en vorm van cellen te controleren, evenals hoe cellen signalen genereren en reageren om een ​​functioneel orgaan te vormen.

Anderen onderzoeken de mechanismen die bepalen wanneer en waar genen tot expressie worden gebracht. Transcriptiefactoren, bijvoorbeeld, zijn eiwitten die zich hechten aan specifieke DNA-sequenties om de expressie van nabijgelegen genen te controleren. Door gelijktijdig hele sets genen te reguleren die elke specifieke celidentiteit definiëren, kan een relatief klein aantal transcriptiefactoren de vorming van hele organen richten.

Aangezien cellen ook gevoelig zijn voor mechanische signalen, onderzoeken veel wetenschappers hoe fysische krachten orgaanontwikkeling leiden. Sommigen kijken naar hoe de kracht die wordt gegenereerd door vloeistoffen die over celoppervlakken stromen, bekend als schuifspanning, de celdifferentiatie beïnvloedt. Anderen beschouwen hoe weefselspanning verbindingen tussen cellen bevordert, die belangrijk zijn voor de integriteit van weefsels zoals spieren en botten.

Ten slotte, omdat er niet genoeg gezonde menselijke organen beschikbaar zijn om aan de behoefte aan transplantaties te voldoen, bedenken wetenschappers nieuwe manieren om organen in het laboratorium te ontwerpen. Hun primaire doelen omvatten het creëren van skeletten, of kunstmatige structuren die in staat zijn om driedimensionale weefsels te ondersteunen, en het optimaliseren van omstandigheden voor orgaangroei. Cellen die worden gebruikt om een ​​orgaan te construeren, bijvoorbeeld, moeten in staat zijn om hun populatie snel te laten uitbreiden terwijl ze genetisch stabiel blijven. Wanneer cellen met succes worden samengesteld tot weefsels, is het waarborgen dat het orgaan een ​​functionele bloedvoorziening ontwikkelt een extra uitdaging.

Nu je een gevoel hebt voor enkele belangrijke vragen gesteld door embryologen, laten we een paar onderzoekstools bekijken die ze gebruiken om antwoorden te vinden.