Regulowany wzrost tkanki, obejmujący wzrost liczby komórek (hiperplazja) i/lub rozmiar komórek (hipertrofia), jest kluczowym czynnikiem rozwoju, regeneracji oraz adaptacji ekologicznej i ewolucyjnej. Pomimo ogromnych postępów w zrozumieniu genetyki molekularnej zarówno biologii komórki, jak i biologii rozwoju w ostatnich dziesięcioleciach, mechanistyczne zrozumienie regulacji wielkości tkanek i narządów jest wciąż w powijakach. Jedną z przyczyn tej luki w wiedzy jest trudność w ilościowym określeniu wzrostu tkanek w organizmach żywych z niezbędną dokładnością przestrzenną i czasową.
Różne aspekty wzrostu całych organizmów mogą być mierzone wielokrotnie w czasie, ujawniając krzywe wzrostu dla każdej osoby1,2,3,4,5. Coraz bardziej wyrafinowane metody skanowania, takie jak podwójna absorpcjometria promieniowania rentgenowskiego (DXA), tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MRI), umożliwiają śledzenie wzrostu całych narządów i innych obszarów ciała (na przykład poszczególnych zidentyfikowanych mięśni szkieletowych) u pojedynczych osób, zarówno ludzkich, jak i w organizmach modelowych6,7,8,9,10. Jednak metody te nie mają jeszcze rozdzielczości, aby ujawnić pojedyncze komórki, a zatem powiązania między zachowaniami komórkowymi a wzrostem poziomu tkanek były trudne do dostrzeżenia. Aby stworzyć takie powiązania, tradycyjne badania często opierały się na kohortach podobnych pojedynczych zwierząt, z których kilka jest składanych w ofierze w kolejnych punktach czasowych, a następnie analizowanych w szczegółach cytologicznych. Takie podejścia wymagają uśredniania obserwowanych zmian w grupach (najlepiej podobnych, ale jednak zmiennych) osobników, a zatem cierpią z powodu braku rozdzielczości czasowej i przestrzennej, co utrudnia znalezienie skorelowanych zdarzeń na poziomie komórkowym sugerujących przyczynę i skutek.
Badania nad modelowymi organizmami bezkręgowców, początkowo u C. elegans i D. melanogaster, obeszły te problemy, rozwijając mikroskopię optyczną, aby osiągnąć rozdzielczość komórkową i dokładnie mierzyć wzrost w czasie u pojedynczych osób. Takie badania ujawniły uderzająco niezmienne zachowania linii komórkowych we wzroście tych małych organizmów modelowych11,12,13,14,15,16,17. Jednak wiele zwierząt, w tym wszystkie kręgowce, ma nieokreślone linie komórkowe i kontroluje wzrost tkanek za pomocą tajemniczych procesów sprzężenia zwrotnego, które służą do przekształcenia genetycznie zakodowanego programu wzrostu w funkcjonalny trójwymiarowy organizm ze wszystkimi jego tkankami i narządami składowymi odpowiednio dopasowanymi pod względem wielkości. Aby zrozumieć te złożone procesy wzrostu, pożądane jest obrazowanie całych tkanek lub narządów w czasie u pojedynczych osób, które mogą być eksperymentalnie manipulowane za pomocą interwencji genetycznych, farmakologicznych lub innych w wybranym momencie, a następnie analizowany efekt.
Każdy mięsień szkieletowy kręgowca ma określony rozmiar, kształt i funkcję, a także dobrze scharakteryzowane interakcje z sąsiednimi tkankami, takimi jak kości, ścięgna i nerwy. Niektóre mięśnie są małe, leżą tuż pod skórą i dlatego są dobrymi kandydatami do badań obrazowych w wysokiej rozdzielczości. Podobnie jak większość narządów, każdy mięsień rośnie przez całe życie embrionalne, poporodowe i młodzieńcze, zanim osiągnie stabilny rozmiar dorosłego człowieka. Mięśnie mają jednak również wyjątkową zdolność do zmiany rozmiaru w dorosłym życiu, w zależności od użytkowania i odżywiania18, a ta właściwość ma duży wpływ na sprawność organizmu, wyniki sportowe i niezależne życie. Utrata masy mięśniowej i funkcji w starszym wieku, sarkopenia, jest kwestią budzącą coraz większe zaniepokojenie społeczeństw stojących w obliczu starzejącej się populacji19,20,21.
My i inni skupiliśmy się na wzroście zdefiniowanych bloków tkanki mięśni szkieletowych w segmentalnie powtarzającym się ciele larw danio pręgowanego, jako pozornie zamkniętym systemie zawierającym kilkaset komórek, w których można obserwować i manipulować wzrostem, utrzymaniem i naprawą tkanek22,23,24,25,26. Chociaż niektóre prace ilościowe zostały wcześniej zgłoszone25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35, nie jest dostępna żadna szczegółowa i zwalidowana metoda pomiaru przyrostu mięśni w szczegółach komórkowych u poszczególnych organizmów kręgowców w czasie. W tym miejscu opisano skuteczny protokół wykonywania takich powtarzających się pomiarów, wraz z walidacją, a także podano przykład jego użycia do analizy zmian zarówno w przerostowym, jak i hiperplastycznym wzroście w odpowiedzi na zmienioną aktywność elektryczną.