Una introducción a la organogénesis

Developmental Biology

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Summary

Organogénesis es el proceso por el cual los órganos surgen de uno de tres capas germinales durante las últimas etapas del desarrollo embrionario. Los investigadores estudiando organogénesis desean comprender los programas genéticos, interacciones célula-célula y mecánica las fuerzas involucradas en este proceso. En última instancia, los científicos esperan utilizar este conocimiento para crear terapias y órganos artificiales que ayuden a tratar enfermedades humanas.

Este video ofrece una visión completa de la organogénesis, a partir de históricos destacados que describen los estudios de avance en la 1800\, a la primera cirugía humana utilizando órganos tejido-dirigida realizada en 2008. Siguientes, claves preguntas por biólogos del desarrollo son introducidos, seguido por una discusión de cómo técnicas de cultivo in vitro, trasplantes de tejido y la proyección de imagen pueden utilizarse para responder a estas consultas. Finalmente, describimos cómo estos métodos se están empleando actualmente en los laboratorios de Biología del desarrollo.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología del desarrollo. Una introducción a la organogénesis. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Los científicos en el campo de la organogénesis investigan el desarrollo de los órganos con funciones y formas altamente especializadas.

Órganos ocurren relativamente tarde durante el desarrollo, después de las células embrionarias se han dispuesto en tres capas de células discretas, conocidas como las capas germinales. Teniendo en cuenta cómo se forman los órganos, investigadores pueden mejor entender cómo cada función de órganos y crear terapias que corrigen enfermedades humanas relacionadas con la falta del órgano.

Este video presenta una breve historia de la investigación de la organogénesis, introduce preguntas claves por embriólogos que estudian la formación de órganos, describe algunas herramientas disponibles para responder a esas preguntas y finalmente discute actuales experimentos en el campo.

Empecemos por revisar algunos estudios hito en la historia de la investigación de la organogénesis.

En la década de 1820, Karl von Baer y Christian Heinrich Pander describen la teoría de la capa germinal del desarrollo. Basado en el modelo de chick, von Baer y Pander propusieron que todos los embriones vertebrados se componen de tres capas de células primarias distintas, que juntos dan lugar a todos los órganos adultos. El endodermo da lugar a tejidos profundos como el revestimiento del intestino y las vías respiratorias, el mesoderm formas media los tejidos, incluyendo músculo y sangre, y el ectodermo genera tejidos más superficiales como la piel y los nervios.

Sesenta años más tarde, en 1885, Wilhelm su publicó el primer atlas de embriones humanos, reconstruido a partir de secciones microscópicas. Esta colección proporciona una de las primeras descripciones detalladas de la organogénesis y la hipótesis acerca de cómo varios grupos de células se arreglan a los órganos de la forma como el cerebro, corazón y ojos.

En 1924, embriólogos Hans Spemann y Hilde Mangold tuvo un enfoque más experimental al estudio de la organogénesis: realizaron trasplantes de tejido en anfibios para el estudio de una región del embrión en desarrollo ahora conocido como el organizador de Spemann. Trasplantar el organizador de un embrión a otro, inducida por la formación de los tejidos neuronales secundarios. Este cambio en los patrones del desarrollo debido a las interacciones celulares llegó a ser conocido como "inducción" y es un primer paso crítico en la formación de muchos órganos.

En las décadas después de este importante descubrimiento, los avances en microscopía y biología molecular significan que embriones ahora podrían ser estudiados a nivel celular y molecular. En la década de 1940, Salome Gluecksohn-Waelsch utiliza el ratón como modelo para entender que determinados genes podrían regular desarrollo de órgano. Ella demostró que ratones con mutaciones en el gen del locus T carecían de estructuras importantes en el desarrollo del sistema nervioso, como el notocordio.

Este trabajo preparó el terreno para W. T. Green investigar la generación de tejidos en vitro durante la década de 1970 por la implantación de las células del cartílago sanos cultivadas en el laboratorio en ratones desnudos. Aunque sin éxito, en 1981 resultados de Green ayudó a los investigadores, como Ioannis Yannas y Eugene Bell, introducir tejido cultivado en vitro en animales vivos. Esta técnica condujo a un importante avance en 2008, cuando Paolo Macchiarini realizó el primer trasplante de órgano entero tejido-dirigida sustituyendo bronquio izquierdo de un paciente con el tejido que fue cultivado en un laboratorio.

Ahora que hemos repasado algunos aspectos históricos destacados, vamos a examinar algunas cuestiones fundamentales que hoy enfrenta el campo de la organogénesis.

¿Empezaremos con tal vez la pregunta más amplia formulada por embriólogos: Cómo transformar grupos de células en órganos altamente estructurados? Para obtener respuestas, los investigadores se centran a menudo en eventos morfológicos definidos, como la ramificación de tubos simples en complejas redes tubulares. Los mecanismos que controlan estos procesos en un tejido pueden ser similares a los utilizados en otros tejidos con estructuras análogas, que investigadores da pistas sobre cómo diseñar sus experimentos.

Embriólogos también están interesados en lo específico organogénesis directa de genes. Algunos se centran en los genes individuales y cómo funcionan sus productos para controlar el tamaño y la forma de las células, así como las células de generan y responden a señales con el fin de formar un órgano de funcionamiento.

Otros investigan los mecanismos que determinan cuándo y dónde se expresan los genes. Factores de transcripción, por ejemplo, son proteínas que se unen a secuencias específicas de ADN para controlar la expresión de genes próximos. Por lo regular simultáneamente grupos completos de genes que definen la identidad de cada célula particular, un número relativamente pequeño de factores de transcripción puede dirigir la formación de órganos enteros.

Puesto que las células también son sensibles a las señales mecánicas, muchos científicos explorarán cómo física las fuerzas guía organogénesis. Algunos miran cómo la fuerza generada por medio de fluidos que fluye sobre la superficie de la célula, conocida como tensión de esquileo, influye en la diferenciación celular. Otros consideran como tensión de tejido promueve las conexiones entre las células, que son importantes para la integridad de los tejidos como los músculos y huesos.

Por último, porque no hay suficientes órganos humanos sanos disponibles para satisfacer la necesidad de un trasplante, los científicos están diseñando nuevas formas de órganos en el laboratorio del ingeniero. Sus objetivos principales incluyen la creación de andamios o estructuras artificiales capaces de apoyar los tejidos tridimensionales y optimizar las condiciones para el crecimiento del órgano. Las células utilizadas para la construcción de un órgano, por ejemplo, deben ser capaces de expandir su población rápidamente permaneciendo estable genéticamente. Cuando las células están montadas con éxito en los tejidos, asegurando que el órgano convierte una fuente de sangre funcional es un reto añadido.

Ahora que tienes una idea de algunas cuestiones claves planteadas por embriólogos, echemos un vistazo a algunas herramientas de investigación que utilizan para encontrar respuestas.

Diferentes técnicas de imagen se utilizan para observar células de montaje en órganos más complejos. Asignación de destino es un enfoque que depende en gran medida la proyección de imagen, puesto que implica el seguimiento de las células y su progenie en todo el desarrollo. Para crear mapas de destino, los científicos pueden controlar las células de interés etiquetado con péptidos fluorescentes.

La proyección de imagen también es necesaria en los experimentos de injerto y trasplante de la célula. Aquí, las células son trasplantadas entre dos organismos, un donante y un anfitrión y marcadores específicos del organismo se utilizan para determinar cómo la identidad y la colocación de las células trasplantadas determina su contribución al desarrollo de órganos.

Para examinar el control genético del desarrollo del órgano, los científicos tienen una serie de estrategias para manipular genes en el desarrollo de los tejidos. La tecnología transgénica, por ejemplo, genomas animales pueden modificarse para aumentar o disminuir la expresión de genes específicos en el animal ya sea entero o en tejidos selectos. Para un enfoque más simple a la manipulación genética, técnicas como la transducción viral utilizan con frecuencia para entregar rápidamente expresión génica o silenciamiento construcciones en poblaciones más pequeñas de las células.

Para estudiar el papel de las fuerzas mecánicas durante el desarrollo, los científicos a menudo hacia en vitro sistemas de cultivo que imitan en vivo fisiología. Por ejemplo, las células cultivadas en substratos flexibles pueden ampliarse a medida que crecen. Las células se cultivan también con frecuencia en cámaras especializadas microfluídicos para imitar la tensión de esquileo. Inmunofluorescencia y otros métodos de microscopía se usan entonces para mirar cómo son afectados los contactos celulares y desarrollo de tejido.

Ingeniería de tejidos es una técnica enfocada en traducir los conocimientos de la formación de órganos en tratamientos clínicos e implica el cultivo de células sanas en andamios biológicos. Los andamios pueden construirse por quitar materiales celulares de tejidos utilizando detergentes, sales y enzimas y luego repoblando el tejido de interés con células madre. Alternativamente, se pueden crear andamios de polímeros biodegradables, con carga eléctrica. Independientemente de cómo se hacen, los andamios son sembrados con células y cultivados bajo condiciones controladas en las configuraciones especializadas conocidas como Biorreactores.

Ahora que usted está familiarizado con algunos enfoques comunes al estudio de la organogénesis, vamos a ver cómo se aplican estos métodos.

Organismos que contienen células de más de un genoma, conocidos como quimeras embrionarios, son herramientas útiles para seguir los movimientos de la célula. En este experimento, quimeras del pez cebra se hicieron mediante el trasplante de células de un donante fluorescencia etiquetada a embriones de host sin etiqueta. Estos trasplantes se utilizaron para estudiar el papel de la determinación de destino de migración y de la célula en el desarrollo de estructuras embrionarias como el músculo y el cerebro.

Para entender el juego de genes específicos de roles en el desarrollo del órgano, científicos alteran la expresión génica. En este experimento, oligonucleótidos antisentido específicos de gen, conocidos como morfolinos, primero fueron inyectadas en huevos fecundados de pez cebra. Corazones a continuación, en vías de desarrollo se analizaron usando un marcador fluorescente expresado selectivamente en el músculo del corazón. Aquí, la caída en el combinado de dos genes completamente bloqueado el desarrollo del corazón.

Ingeniería de tejidos permite a los científicos a investigar las interacciones entre diferentes tipos de células y la brecha entre los estudios in vitro e in vivo . En este experimento, reconstrucciones de la piel humana se generan en el laboratorio. Para ver en el desarrollo de la piel, así como la progresión del cáncer, migración de células de la piel fue rastrear utilizando proteínas fluorescencia de etiquetado. Reconstrucciones de piel fueron entonces injertadas en ratones para estudiar el destino de la célula de la piel y la fisiología en un sistema de vida.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la organogénesis. En este video, hemos revisado la historia de la investigación de la organogénesis e introducido preguntas claves por embriólogos. También exploran estrategias de investigación destacados en el campo y discuten algunas de sus aplicaciones actuales. ¡Gracias por ver!

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