Eine Einführung in die Organogenese

Developmental Biology

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Summary

Organogenese ist der Prozess durch den Organe von einem der drei Mikrobeschichten während der neueren Stadien der Embryonalentwicklung entstehen. Forscher studieren Organogenese wollen besser zu verstehen, die genetischen Programme, Zell-Zell-Interaktionen und mechanische Kräfte in diesen Prozess einbezogen. Schließlich erhoffen sich die Wissenschaftler mit diesem Wissen erstellen Therapien und künstliche Organe, die hilft, Krankheiten zu behandeln.

Dieses Video bietet einen Gesamtüberblick der Organogenese, beginnend mit historischen Highlights beschreiben die bahnbrechende Untersuchungen in der 1800\, bis hin zu den ersten menschlichen Eingriff mit Tissue-Engineering Organen im Jahr 2008 durchgeführt. Nächste, wichtige Fragen, die die Entwicklungs Biologen werden eingeführt, gefolgt von einer Diskussion wie Gewebe Transplantationen, Bildgebung und in-vitro-Kulturtechniken verwendet werden, um diese Fragen zu beantworten. Schließlich beschreiben wir, wie diese Methoden derzeit in Entwicklungsbiologie Laboratorien eingesetzt.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Entwicklung Biologie. Eine Einführung in die Organogenese. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Wissenschaftler auf dem Gebiet der Organogenese untersuchen die Entwicklung der Organe mit hoch spezialisierten Formen und Funktionen.

Organen entstehen relativ spät während der Entwicklung nach der embryonalen Zellen sich in drei diskrete Zellschichten, bekannt als die Mikrobeschichten vereinbart haben. Durch die Berücksichtigung wie Organe gebildet werden, Forscher besser zu verstehen wie die einzelnen Organe funktionieren, und erstellen Sie Therapien, die menschliche Krankheit, die im Zusammenhang mit Organversagen korrigieren werden.

Dieses Video präsentiert eine kurze Geschichte der Organogenese Forschung, stellt wichtige Fragen, die die Embryologen studiert Orgel Bildung beschreibt einige Tools zur Verfügung, um diese Fragen zu beantworten und schließlich diskutiert aktuelle Experimente auf dem Gebiet.

Beginnen wir mit einigen Wahrzeichen Studien in der Geschichte der Organogenese Forschung zu überprüfen.

In den 1820er Jahren beschrieb Karl von Baer und Christian Heinrich Pander die Keim-Schicht Theorie der Entwicklung. Basierend auf dem Küken-Modell, vorgeschlagen von Baer und Pander, dass alle Wirbeltiere Embryonen aus drei unterschiedlichen Primärzelle Schichten bestehen, die zusammen alle Erwachsenen Organe hervorrufen. Das Entoderm entsteht tiefe Gewebe wie die Auskleidung von Darm und Atemwegen, das Mesoderm Formen mittlere Gewebe einschließlich der Muskel- und Blut, und dem Ektoderm erzeugt mehr oberflächlichen Gewebe wie Haut und Nerven.

Sechzig Jahre später, im Jahre 1885, Wilhelm veröffentlicht seinen ersten Atlas der menschlichen Embryonen von mikroskopisch kleinen Abschnitten saniert. Diese Sammlung zur Verfügung gestellt, einer der ersten detaillierten Beschreibungen der Organogenese und die Hypothese über wie die verschiedenen Gruppen von Zellen sich Form Organe wie Herz, Augen und Gehirn ordnen.

Im Jahre 1924 nahm Embryologen Hans Spemann und Hilde Mangold einen experimentelleren Ansatz zum Studium der Organogenese: sie führten Gewebe Transplantationen in Amphibien, eine Region des sich entwickelnden Embryos jetzt bekannt als Organisator der Spemann zu studieren. Verpflanzung des Veranstalters von einem Embryo zu einem anderen induziert die Bildung von sekundären neuronalen Gewebe. Diese Änderung in der Entwicklungsbiologie Musterung durch zelluläre Interaktionen wurde bekannt als "Induktion" und ist ein wichtiger erster Schritt bei der Bildung vieler Organe.

In den Jahrzehnten nach dieser wichtigen Entdeckung bedeutete Fortschritte in der Mikroskopie und Molekularbiologie, dass Embryonen nun auf zellulärer und molekularer Ebene untersucht werden konnten. In den 1940er Jahren habe Salome Gluecksohn-Waelsch mit der Maus als Modell um zu verstehen, dass bestimmte Gene Organentwicklung Regeln könnten. Sie hat gezeigt, dass Mäuse mit Mutationen im Gen T Lokus wichtige Strukturen in das sich entwickelnde Nervensystem, wie die Chorda fehlte.

Diese Arbeit ebnete den Weg für W. T. Green, die Generation der Gewebe in Vitro in den 1970er Jahren zu untersuchen, durch Implantation von gesunden Knorpel-Zellen im Labor in nude Mäuse gezüchtet. Obwohl erfolglos, half 1981 Green Erkenntnisse Forscher, wie z. B. Einführung Ioannis Yannas und Eugene Bell, Gewebe in Vitro zurück zu lebenden Tieren herangewachsen. Diese Technik führte zu einen wichtigen Durchbruch im Jahr 2008, als durchgeführt Paolo Macchiarini die erste Tissue-Engineering ganze Organ Transplantation durch das Ersetzen des Patienten linken Bronchus mit Gewebe, das in einem Labor gezüchtet wurde.

Jetzt, wo wir einige historische Highlights überprüft haben, betrachten wir ein paar grundlegende Fragen mit Blick auf dem Gebiet der Organogenese heute.

Wir beginnen mit vielleicht weitesten von Embryologen gestellte Frage: wie Gruppen von Zellen in hochstrukturierten Organe verwandelt? Für Antworten konzentrieren Forscher oft auf definierte morphologische Ereignisse, wie die Verzweigung der einfachen Röhren in komplexen röhrenförmigen Netze. Die Mechanismen, die Steuerung dieser Prozesse in einem Gewebe möglicherweise ähnlich wie in anderen Geweben mit analogen Strukturen, welche Forscher gibt Hinweise darüber, wie Sie ihre Experimente zu entwerfen.

Embryologen sind auch interessiert wie bestimmte Gene direkte Organogenese. Einige Konzentration auf einzelne Gene und Funktionsweise ihrer Produkte, um die Größe und Form der Zellen, sowie zu steuern, wie Zellen zu generieren und auf Signale reagieren um ein funktionierendes Organ bilden.

Andere untersuchen die Mechanismen, die bestimmen, wann und wo Gene exprimiert werden. Transkriptionsfaktoren, sind zum Beispiel Proteine, die an bestimmte DNA-Sequenzen, die Expression von Genen in der Nähe zu kontrollieren. Gleichzeitig reguliert ganze Gruppen von Genen, die jeweils bestimmte Zelle Identität definieren, kann eine relativ kleine Anzahl von Transkriptionsfaktoren die Entstehung ganzer Organe lenken.

Da Zellen auch empfindlich auf mechanische Signale sind, erkunden viele Wissenschaftler wie physischen Kräfte Reiseführer Organogenese. Einige betrachten Sie wie die Kraft entsteht durch Flüssigkeit fließt über Zelloberflächen, bekannt als Schubspannung, Zelldifferenzierung beeinflusst. Andere betrachten wie Gewebespannung fördert Verbindungen zwischen den Zellen, die für die Integrität der Gewebe wie Muskeln und Knochen wichtig sind.

Schließlich, denn es nicht genügend gesunde menschliche Organe zur Verfügung gibt, um die Notwendigkeit für Transplantationen zu erfüllen, entwickeln Wissenschaftler neue Wege, Organe im Labor zu entwickeln. Ihre vorrangigen Ziele umfassen das Erstellen Gerüste oder künstliche Strukturen in der Lage, dreidimensionale Stützgewebe und Orgel Wachstumsbedingungen zu optimieren. Zellen verwendet, um ein Organ zu konstruieren müssen beispielsweise ihre Bevölkerung schnell während die übrigen genetisch stabil ausbauen können. Wenn Zellen in Gewebe erfolgreich montiert werden, ist um sicherzustellen, dass die Orgel eine funktionale Blutversorgung entwickelt eine zusätzliche Herausforderung.

Nun, da Sie ein Gefühl für einige zentralen Fragen Embryologen haben, betrachten wir ein paar Recherche-Tools, die sie verwenden, um Antworten zu finden.

Verschiedene bildgebende Verfahren werden verwendet, um Zellen, die Montage in komplexere Organe betrachten. Schicksal-Mapping ist ein Ansatz, der stützt sich stark auf bildgebende Verfahren, denn es geht um Verfolgung einzelner Zellen und deren Nachkommen in der gesamten Entwicklung. Um Schicksal Karten erstellen, können Wissenschaftler Zellen des Interesses durch Beschriften sie mit fluoreszierenden Peptide überwachen.

Bildgebung ist auch in Zellexperimente Pfropfen und Transplantation notwendig. Hier Zellen sind zwischen zwei Organismen, Spender und ein Wirt transplantiert und Organismus-spezifische Marker werden dann verwendet, um festzustellen, wie die Identität und die Platzierung der transplantierten Zellen bestimmt, ihren Beitrag zur Entwicklung der Organe.

Um die genetische Kontrolle der Organentwicklung zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine Reihe von Strategien zur Genexpression bei der Entwicklung von Gewebe zu manipulieren. Mit transgenen Technologie, können beispielsweise Animal Genome geändert werden, um erhöhen oder verringern die Expression bestimmter Gene in entweder das ganze Tier oder in ausgewählten Geweben. Für einen einfacheren Ansatz, Genmanipulation werden Techniken wie virale Transduktion häufig zur Genexpression oder Stummschaltung Konstrukte in kleineren Populationen von Zellen schnell zu liefern.

Um die Rolle der mechanischen Kräfte während der Entwicklung zu studieren, wenden Wissenschaftler häufig sich an in-vitro- Kultur-Systeme, die in Vivo Physiologie zu imitieren. Zum Beispiel können Zellen auf flexiblen Substraten gezüchtet gestreckt werden, wie sie wachsen. Zellen werden häufig auch in spezialisierten mikrofluidischen Kammern Schubspannung imitieren angebaut. Immunfluoreszenz und andere Mikroskopieverfahren dienen dann zu schauen, wie Gewebeentwicklung und zelluläre Kontakte betroffen sind.

Gewebe-Engineering ist eine Technik, die konzentrierte sich auf Kenntnisse der Orgel Formation in Therapien zu übersetzen und beinhaltet züchten gesunde Zellen auf biologische Gerüsten. Gerüste können durch Entfernen von zellularen Werkstoffen aus Geweben mit Reinigungsmittel, Salze und Enzyme, und dann das Gewebe mit Stammzellen repopulating konstruiert werden. Alternativ können die Gerüste aus biologisch abbaubaren Polymeren mit elektrischer Ladung erstellt werden. Unabhängig davon, wie sie gebildet werden sind die Gerüste mit Zellen ausgesät und unter kontrollierten Bedingungen in spezialisierten Einrichtungen bekannt als Bioreaktoren kultiviert.

Nun, da Sie einige gemeinsame Ansätze für das Studium der Organogenese kennen, schauen Sie wie diese Methoden angewendet werden.

Organismen, die Zellen von mehr als einem Genom, bekannt als embryonale Chimären enthalten sind nützliche Werkzeuge, Zelle Bewegungen zu verfolgen. In diesem Experiment wurden Zebrafisch Chimären durch die Transplantation von Eindringmittel beschrifteten Spenderzellen unbeschriftete Host Embryonen. Diese Transplantationen wurden zur Untersuchung der Rolle von Migration und Zelle Schicksal Entschlossenheit bei der Entwicklung von embryonalen Strukturen wie Muskeln und Gehirn.

Um zu verstehen, die Rolle bestimmter Gene spielen in Organentwicklung, ändern Wissenschaftler Genexpression. In diesem Experiment wurden Gen-spezifischen antisense Oligonukleotide, bekannt als Morpholinos, zuerst in Zebrafisch befruchtete Eizellen injiziert. Nächsten, sich entwickelnde Herzen wurden analysiert mit einem fluoreszierenden Marker selektiv im Herzmuskel ausgedrückt. Hier blockiert die kombinierte Knockdown von zwei Genen komplett Herz Entwicklung.

Gewebe-Engineering ermöglicht es Wissenschaftlern, Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen zu untersuchen, und die Lücke zwischen in Vitro und in Vivo Studien. In diesem Experiment wurden Rekonstruktionen der menschlichen Haut im Labor erzeugt. To look at Haut Entwicklung sowie Tumorprogression, wurde Haut-Stammzellen-Migration verfolgt mit Gewebekulturen tagged Proteine. Haut-Rekonstruktionen wurden dann auf Mäuse gepfropft, um in ein lebendiges System Haut Zelle Schicksal und Physiologie zu studieren.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Organogenese beobachtet. In diesem Video haben wir die Geschichte der Organogenese Forschung überprüft und wichtige Fragen, die die Embryologen eingeführt. Wir auch prominente Forschungsstrategien im Bereich erforscht und diskutiert einige ihrer aktuellen Anwendungen. Danke fürs Zuschauen!

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