2.10: Wprowadzenie do organogenezy

Naukowcy zajmujący się organogenezą badają rozwój narządów o wysoce wyspecjalizowanych formach i funkcjach.

Narządy powstają stosunkowo późno w trakcie rozwoju, po tym, jak komórki embrionalne ułożą się w trzy dyskretne warstwy komórkowe zwane listkami zarodkowymi. Zastanawiając się, w jaki sposób powstają narządy, naukowcy mogą lepiej zrozumieć, jak funkcjonują poszczególne narządy i stworzyć terapie, które skorygują choroby ludzkie związane z niewydolnością narządów.

Ten film przedstawia krótką historię badań organogenezy, przedstawia kluczowe pytania zadawane przez embriologów zajmujących się tworzeniem narządów, opisuje niektóre dostępne narzędzia, aby odpowiedzieć na te pytania, a na koniec omawia aktualne eksperymenty prowadzone w tej dziedzinie.

Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii badań organogenezy.

W latach dwudziestych XIX wieku Karl von Baer i Christian Heinrich Pander opisali teorię rozwoju listków zarodkowych. Opierając się na modelu piskląt, von Baer i Pander zaproponowali, że wszystkie zarodki kręgowców składają się z trzech odrębnych pierwotnych warstw komórek, które razem dają początek wszystkim dorosłym narządom. Endoderma powoduje powstanie tkanek głębokich, takich jak wyściółka jelita i dróg oddechowych, mezoderma tworzy środkowe tkanki, w tym mięśnie i krew, a ektoderma wytwarza bardziej powierzchowne tkanki, takie jak skóra i nerwy.

Sześćdziesiąt lat później, w 1885 roku, Wilhelm His opublikował pierwszy atlas ludzkich embrionów zrekonstruowanych na podstawie mikroskopijnych skrawków. Zbiór ten dostarczył jednego z pierwszych szczegółowych opisów organogenezy i postawił hipotezę na temat tego, w jaki sposób różne grupy komórek układają się, tworząc narządy, takie jak serce, oczy i mózg.

W 1924 roku embriolodzy Hans Spemann i Hilde Mangold przyjęli bardziej eksperymentalne podejście do badania organogenezy: przeprowadzili przeszczepy tkanek u płazów, aby zbadać region rozwijającego się zarodka, znany obecnie jako organizator Spemanna. Przeszczepienie organizatora z jednego zarodka do drugiego indukowało powstawanie wtórnych tkanek nerwowych. Ta zmiana we wzorcach rozwojowych spowodowana interakcjami komórkowymi stała się znana jako "indukcja" i jest krytycznym pierwszym krokiem w tworzeniu wielu narządów.

W ciągu dziesięcioleci po tym ważnym odkryciu, postępy w mikroskopii i biologii molekularnej sprawiły, że embriony mogą być teraz badane na poziomie komórkowym i molekularnym. W latach czterdziestych XX wieku Salome Gluecksohn-Waelsch wykorzystała mysz jako model, aby zrozumieć, że określone geny mogą regulować rozwój narządów. Wykazała, że myszom z mutacjami w genie locus T brakowało ważnych struktur w rozwijającym się układzie nerwowym, takich jak struna grzbietowa.

Praca ta utorowała drogę W. T. Greenowi do zbadania procesu powstawania tkanek in vitro w latach siedemdziesiątych XX wieku poprzez wszczepianie nagim myszom zdrowych komórek chrząstki hodowanych w laboratorium. Chociaż nie odniosła sukcesu, w 1981 roku odkrycia Greena pomogły naukowcom, takim jak Ioannis Yannas i Eugene Bell, wprowadzić tkanki wyhodowane in vitro z powrotem do żywych zwierząt.

Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu kilku najważniejszych wydarzeń historycznych, przyjrzyjmy się kilku fundamentalnym pytaniom, przed którymi stoi dziś dziedzina organogenezy.

Zaczniemy od być może najszerszego pytania zadawanego przez embriologów: w jaki sposób grupy komórek przekształcają się w wysoce zbudowane narządy? Aby uzyskać odpowiedzi na te pytania, badacze często koncentrują się na zdefiniowanych zdarzeniach morfologicznych, takich jak rozgałęzianie się prostych rurek w złożone sieci rurowe. Mechanizmy kontrolujące te procesy w jednej tkance mogą być podobne do tych stosowanych w innych tkankach o analogicznej budowie, co daje naukowcom wskazówki, jak projektować swoje eksperymenty.

Embriolodzy są również zainteresowani tym, w jaki sposób określone geny kierują organogenezą. Niektóre koncentrują się na pojedynczych genach i tym, jak ich produkty funkcjonują, aby kontrolować rozmiar i kształt komórek, a także jak komórki generują i reagują na sygnały, aby utworzyć funkcjonujący narząd.

Inni badają mechanizmy, które określają, kiedy i gdzie geny ulegają ekspresji. Na przykład czynniki transkrypcyjne to białka, które przyłączają się do określonych sekwencji DNA, aby kontrolować ekspresję pobliskich genów. Poprzez jednoczesną regulację całych zestawów genów, które definiują tożsamość każdej konkretnej komórki, stosunkowo niewielka liczba czynników transkrypcyjnych może kierować powstawaniem całych narządów.

Ponieważ komórki są również wrażliwe na sygnały mechaniczne, wielu naukowców bada, w jaki sposób siły fizyczne kierują organogenezą. Niektórzy przyglądają się, w jaki sposób siła generowana przez płyny przepływające po powierzchniach komórek, znana jako naprężenie ścinające, wpływa na różnicowanie komórek. Inni rozważają, w jaki sposób napięcie tkanek sprzyja połączeniom między komórkami, które są ważne dla integralności tkanek, takich jak mięśnie i kości.

Wreszcie, ponieważ nie ma wystarczającej liczby zdrowych narządów ludzkich, aby zaspokoić zapotrzebowanie na przeszczepy, naukowcy opracowują nowe sposoby inżynierii narządów w laboratorium. Ich głównym celem jest tworzenie rusztowań, czyli sztucznych struktur zdolnych do podtrzymywania trójwymiarowych tkanek oraz optymalizacja warunków wzrostu narządów. Na przykład komórki użyte do budowy narządu muszą być w stanie szybko powiększyć swoją populację, pozostając jednocześnie stabilne genetycznie. Kiedy komórki są pomyślnie składane w tkanki, zapewnienie, że narząd rozwija funkcjonalne ukrwienie, jest dodatkowym wyzwaniem.

Teraz, gdy znasz już niektóre kluczowe pytania stawiane przez embriologów, przyjrzyjmy się kilku narzędziom badawczym, których używają, aby znaleźć odpowiedzi.

Stosuje się różne techniki obrazowania, aby przyjrzeć się komórkom łączącym się w bardziej złożone narządy. Mapowanie losu to jedno z podejść, które w dużej mierze opiera się na obrazowaniu, ponieważ polega na śledzeniu pojedynczych komórek i ich potomstwa przez cały okres rozwoju. Aby stworzyć mapy losu, naukowcy mogą monitorować interesujące nas komórki, znakując je peptydami fluorescencyjnymi.

Obrazowanie jest również niezbędne w eksperymentach z przeszczepami i przeszczepami komórek. W tym przypadku komórki są przeszczepiane między dwoma organizmami, dawcą i gospodarzem, a następnie wykorzystuje się markery specyficzne dla organizmu do określenia, w jaki sposób tożsamość i umiejscowienie przeszczepionych komórek określa ich wkład w rozwój narządów.

Aby zbadać genetyczną kontrolę rozwoju narządów, naukowcy mają do dyspozycji szereg strategii manipulowania ekspresją genów w rozwijających się tkankach. Na przykład, korzystając z technologii transgenicznej, genomy zwierzęce mogą być modyfikowane w celu zwiększenia lub zmniejszenia ekspresji określonych genów w całym zwierzęciu lub w wybranych tkankach. Aby uzyskać prostsze podejście do manipulacji genetycznej, techniki takie jak transdukcja wirusa są często stosowane w celu szybkiego dostarczania ekspresji genów lub wyciszania konstruktów do mniejszych populacji komórek.

Aby zbadać rolę sił mechanicznych podczas rozwoju, naukowcy często sięgają po systemy hodowli in vitro, które imitują fizjologię in vivo. Na przykład komórki hodowane na elastycznych podłożach mogą być rozciągane w miarę wzrostu. Komórki są również często hodowane w specjalistycznych komorach mikroprzepływowych, aby naśladować naprężenia ścinające. Immunofluorescencja i inne metody mikroskopowe są następnie wykorzystywane do sprawdzenia, w jaki sposób wpływa to na rozwój tkanek i kontakty komórkowe.

Inżynieria tkankowa jest techniką skoncentrowaną na przełożeniu wiedzy na temat tworzenia się narządów na terapie kliniczne i polega na hodowli zdrowych komórek na rusztowaniach biologicznych. Rusztowania można budować, usuwając materiały komórkowe z tkanek za pomocą detergentów, soli i enzymów, a następnie ponownie wypełniając tkankę będącą przedmiotem zainteresowania komórkami macierzystymi. Alternatywnie, rusztowania mogą być tworzone z biodegradowalnych polimerów za pomocą ładunku elektrycznego. Niezależnie od tego, jak są wykonane, rusztowania są wysiewane komórkami i hodowane w kontrolowanych warunkach w specjalistycznych konfiguracjach zwanych bioreaktorami.

Teraz, gdy znasz już niektóre typowe podejścia do badania organogenezy, przyjrzyjmy się, jak te metody są stosowane.

Organizmy zawierające komórki z więcej niż jednego genomu, znane jako chimery embrionalne, są użytecznymi narzędziami do śledzenia ruchów komórek. W tym eksperymencie chimery danio pręgowanego zostały stworzone poprzez przeszczepienie fluorescencyjnie znakowanych komórek dawcy do nieznakowanych zarodków gospodarza. Przeszczepy te wykorzystano do zbadania roli migracji i determinacji losu komórek w rozwoju struktur embrionalnych, takich jak mięśnie i mózg.

Aby zrozumieć rolę, jaką poszczególne geny odgrywają w rozwoju narządów, naukowcy zmieniają ekspresję genów. W tym eksperymencie specyficzne dla genu oligonukleotydy antysensowne, znane jako morfolinosy, zostały najpierw wstrzyknięte do zapłodnionych jaj danio pręgowanego. Następnie rozwijające się serca analizowano przy użyciu markera fluorescencyjnego selektywnie wyrażanego w mięśniu sercowym. W tym przypadku połączone wyłączenie dwóch genów całkowicie zablokowało rozwój serca.

Inżynieria tkankowa pozwala naukowcom badać interakcje między różnymi typami komórek i wypełniać lukę między badaniami in vitro i in vivo. W tym eksperymencie rekonstrukcje ludzkiej skóry zostały wygenerowane w laboratorium. Aby przyjrzeć się rozwojowi skóry, a także progresji raka, migrację komórek macierzystych skóry śledzono za pomocą fluorescencyjnie znakowanych białek. Rekonstrukcje skóry zostały następnie przeszczepione myszom w celu zbadania losu i fizjologii komórek skóry w żywym systemie.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do organogenezy. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu historii badań organogenezy i przedstawiliśmy kluczowe pytania zadawane przez embriologów. Przyjrzeliśmy się również najważniejszym strategiom badawczym w tej dziedzinie i omówiliśmy niektóre z ich obecnych zastosowań. Dzięki za oglądanie!