Введение в органогенез

Ученые в области органогенеза исследуют развитие органов с узкоспециализированными формами и функциями.

Органы возникают относительно поздно в процессе развития, после того как эмбриональные клетки выстраиваются в три дискретных клеточных слоя, известных как зародышевые слои. Рассматривая, как формируются органы, исследователи могут лучше понять, как функционируют отдельные органы, и создать методы лечения, которые будут исправлять заболевания человека, связанные с отказом органов.

В этом видео представлена краткая история исследований органогенеза, представлены ключевые вопросы, заданные эмбриологами, изучающими формирование органов, описаны некоторые инструменты, доступные для ответа на эти вопросы, и, наконец, обсуждаются текущие эксперименты, проводимые в этой области.

Давайте начнем с обзора некоторых знаковых исследований в истории исследований органогенеза.

В 1820-х годах Карл фон Бэр и Кристиан Генрих Пандер описали теорию развития зародышевого слоя. Основываясь на модели цыплят, фон Бэр и Пандер предположили, что все эмбрионы позвоночных состоят из трех различных первичных клеточных слоев, которые вместе дают начало всем взрослым органам. Энтодерма дает начало глубоким тканям, таким как слизистая оболочка кишечника и дыхательных путей, мезодерма формирует средние ткани, включая мышцы и кровь, а эктодерма генерирует более поверхностные ткани, такие как кожа и нервы.

Шестьдесят лет спустя, в 1885 году, Вильгельм Хиз опубликовал первый атлас человеческих эмбрионов, реконструированный по микроскопическим срезам. Эта коллекция предоставила одно из первых подробных описаний органогенеза и выдвинула гипотезу о том, как различные группы клеток организуются в такие органы, как сердце, глаза и мозг.

В 1924 году эмбриологи Ганс Шпеман и Хильде Мангольд применили более экспериментальный подход к изучению органогенеза: они провели трансплантацию тканей амфибий для изучения области развивающегося эмбриона, теперь известной как организатор Шпемана. Пересадка организатора от одного эмбриона к другому индуцировала образование вторичных нервных тканей. Это изменение в структуре развития из-за клеточных взаимодействий стало известно как «индукция» и является важным первым шагом в формировании многих органов.

В течение десятилетий после этого крупного открытия достижения в области микроскопии и молекулярной биологии позволили изучать эмбрионы на клеточном и молекулярном уровнях. В 1940-х годах Саломея Глюксон-Вельш использовала мышь в качестве модели, чтобы понять, что определенные гены могут регулировать развитие органов. Она показала, что у мышей с мутациями в гене Т-локуса отсутствовали важные структуры в развивающейся нервной системе, такие как хорда.

Эта работа проложила путь для У. Т. Грина к исследованию генерации тканей in vitro в 1970-х годах путем имплантации здоровых хрящевых клеток, культивируемых в лаборатории, обнаженным мышам. Несмотря на неудачу, в 1981 году выводы Грина помогли исследователям, таким как Иоаннис Яннас и Юджин Белл, ввести ткань, выращенную in vitro, обратно в живых животных.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые исторические события, давайте рассмотрим несколько фундаментальных вопросов, стоящих сегодня перед областью органогенеза.

Мы начнем, пожалуй, с самого широкого вопроса, который задают эмбриологи: как группы клеток превращаются в высокоструктурированные органы? В поисках ответов исследователи часто сосредотачиваются на определенных морфологических событиях, таких как разветвление простых трубок на сложные трубчатые сети. Механизмы, контролирующие эти процессы в одной ткани, могут быть аналогичны тем, которые используются в других тканях с аналогичными структурами, что дает исследователям подсказки о том, как планировать свои эксперименты.

Эмбриологов также интересует, как конкретные гены управляют органогенезом. Некоторые из них сосредоточены на отдельных генах и на том, как функционируют их продукты, чтобы контролировать размер и форму клеток, а также на том, как клетки генерируют сигналы и реагируют на них, чтобы сформировать функционирующий орган.

Другие исследуют механизмы, которые определяют, когда и где экспрессируются гены. Факторы транскрипции, например, представляют собой белки, которые прикрепляются к определенным последовательностям ДНК для контроля экспрессии близлежащих генов. Одновременно регулируя целые наборы генов, определяющих идентичность каждой конкретной клетки, относительно небольшое количество факторов транскрипции может управлять формированием целых органов.

Поскольку клетки также чувствительны к механическим сигналам, многие ученые изучают, как физические силы управляют органогенезом. Некоторые из них рассматривают, как сила, создаваемая жидкостями, протекающими по поверхности клеток, известная как напряжение сдвига, влияет на дифференцировку клеток. Другие рассматривают, как напряжение тканей способствует связям между клетками, которые важны для целостности тканей, таких как мышцы и кости.

Наконец, из-за нехватки здоровых человеческих органов для удовлетворения потребности в трансплантации, ученые разрабатывают новые способы создания органов в лаборатории. Их основными целями являются создание скаффолдов, или искусственных структур, способных поддерживать трехмерные ткани, и оптимизация условий для роста органов. Например, клетки, используемые для построения органа, должны быть в состоянии быстро увеличивать свою популяцию, оставаясь при этом генетически стабильными. Когда клетки успешно собираются в ткани, обеспечение функционального кровоснабжения органа является дополнительной проблемой.

Теперь, когда у вас есть представление о некоторых ключевых вопросах, которые поднимают эмбриологи, давайте рассмотрим несколько исследовательских инструментов, которые они используют для поиска ответов.

Различные методы визуализации используются для того, чтобы увидеть, как клетки собираются в более сложные органы. Картирование судьбы является одним из подходов, который в значительной степени опирается на визуализацию, поскольку он включает в себя отслеживание отдельных клеток и их потомства на протяжении всего развития. Чтобы создать карты судьбы, ученые могут отслеживать интересующие клетки, помечая их флуоресцентными пептидами.

Визуализация также необходима в экспериментах по трансплантации и трансплантации клеток. Здесь клетки пересаживаются между двумя организмами, донором и хозяином, а затем используются специфические для организма маркеры для определения того, как идентичность и расположение трансплантированных клеток определяют их вклад в развитие органов.

Чтобы изучить генетический контроль над развитием органов, у ученых есть ряд стратегий манипулирования экспрессией генов в развивающихся тканях. Используя трансгенную технологию, например, геномы животных могут быть модифицированы для увеличения или уменьшения экспрессии определенных генов либо во всем животном, либо в отдельных тканях. Для более простого подхода к генетическим манипуляциям часто используются такие методы, как вирусная трансдукция, для быстрой доставки экспрессии генов или подавления экспрессии конструкций в меньшие популяции клеток.

Для изучения роли механических сил при развитии ученые часто обращаются к системам культивирования in vitro, имитирующим физиологию in vivo. Например, клетки, выращенные на гибких субстратах, могут растягиваться по мере роста. Клетки также часто выращиваются в специализированных микрофлюидных камерах для имитации напряжения сдвига. Затем с помощью иммунофлюоресценции и других методов микроскопии можно изучить, как это влияет на развитие тканей и клеточные контакты.

Тканевая инженерия — это метод, ориентированный на преобразование знаний о формировании органов в клинические методы лечения и включающий в себя культивирование здоровых клеток на биологических каркасах. Скаффолды могут быть построены путем удаления клеточных материалов из тканей с помощью детергентов, солей и ферментов, а затем повторного заселения интересующей ткани стволовыми клетками. В качестве альтернативы каркасы могут быть созданы из биоразлагаемых полимеров с помощью электрического заряда. Независимо от способа изготовления, скаффолды засеваются клетками и культивируются в контролируемых условиях в специализированных установках, известных как биореакторы.

Теперь, когда вы знакомы с некоторыми распространенными подходами к изучению органогенеза, давайте рассмотрим, как эти методы применяются.

Организмы, которые содержат клетки из более чем одного генома, известные как эмбриональные химеры, являются полезными инструментами для отслеживания движений клеток. В этом эксперименте химеры рыбок данио были получены путем трансплантации флуоресцентно меченых донорских клеток немеченным эмбрионам-хозяевам. Эти трансплантаты были использованы для изучения роли миграции и определения судьбы клеток в развитии эмбриональных структур, таких как мышцы и мозг.

Чтобы понять, какую роль играют определенные гены в развитии органов, ученые изменяют экспрессию генов. В этом эксперименте ген-специфические антисмысловые олигонуклеотиды, известные как морфолины, были впервые введены в оплодотворенные яйца рыбок данио. Далее анализировали развивающиеся сердца с помощью флуоресцентного маркера, селективно экспрессируемого в сердечной мышце. Здесь совместное нокдаун двух генов полностью блокировало развитие сердца.

Тканевая инженерия позволяет ученым исследовать взаимодействия между различными типами клеток и преодолевать разрыв между исследованиями in vitro и in vivo. В этом эксперименте в лабораторных условиях были созданы реконструкции человеческой кожи. Чтобы посмотреть на развитие кожи, а также на прогрессирование рака, миграция стволовых клеток кожи отслеживалась с помощью флуоресцентно помеченных белков. Затем мышам пересаживали кожные реконструкции, чтобы изучить судьбу и физиологию клеток кожи в живой системе.

Вы только что посмотрели введение JoVE в органогенез. В этом видео мы рассмотрели историю исследований органогенеза и познакомили с ключевыми вопросами, которые задают эмбриологи. Мы также рассмотрели выдающиеся исследовательские стратегии в этой области и обсудили некоторые из их текущих применений. Спасибо за просмотр!