Une Introduction à l’organogenèse

Developmental Biology

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Summary

L’organogénèse est le processus par lequel les organes apparaissent parmi les trois couches de germe durant les derniers stades du développement embryonnaire. Chercheurs qui étudient l’organogenèse veulent mieux comprendre les programmes génétiques, interactions cellule-cellule et mécanique des forces impliquées dans ce processus. En fin de compte, les scientifiques espèrent utiliser ces connaissances pour créer des thérapies et des organes artificiels qui aideront à traiter des maladies humaines.

Cette vidéo offre un aperçu complet de l’organogenèse, commençant avec des reflets historiques décrivant les études de percée dans le 1800\, jusqu'à la première chirurgie humaine utilisant tissulaire des organes effectué en 2008. Ensuite, principales questions posées par les biologistes du développement sont introduites, suivie d’une discussion sur comment la transplantation de tissus, l’imagerie et des techniques de culture in vitro permet de répondre à ces requêtes. Enfin, nous décrivons comment ces méthodes sont actuellement utilisées dans les laboratoires de biologie du développement.

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JoVE Science Education Database. Notions essentielles de biologie du développement. Une Introduction à l’organogenèse. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Scientifiques dans le domaine de l’organogenèse enquêter sur le développement des organes avec des formes hautement spécialisées et des fonctions.

Organes surviennent relativement tard au cours du développement, après que les cellules embryonnaires ont elles-mêmes disposées en trois couches de cellules distinctes appelées les couches de germe. En considérant la façon dont les organes sont formés, chercheurs peuvent mieux comprendre le fonctionnement des organes individuels et créer des thérapies qui corrigeront les maladies humaines liées à la défaillance d’organes.

Cette vidéo présente un bref historique de la recherche de l’organogenèse, présente les questions clées posées par les embryologistes qui étudient la formation des organes, décrit certains outils disponibles pour répondre à ces questions et aborde enfin les expériences actuelles menées dans le domaine.

Commençons par examiner certaines études de point de repère dans l’histoire de la recherche de l’organogenèse.

Dans les années 1820, Karl von Baer et Christian Heinrich Pander décrit la théorie de la couche de germe du développement. Basé sur le modèle de poussin, von Baer et Pander ont proposé que tous les embryons de vertébrés sont composées de trois couches distinctes de cellules primaires, qui ensemble donnent naissance à tous les organes adultes. L’endoderme donne naissance à des tissus profonds comme la muqueuse de l’intestin et des voies respiratoires, les tissus moyen de mésoderme formes, y compris le muscle et le sang, et l’ectoderme génère des tissus plus superficiels comme la peau et des nerfs.

Soixante ans plus tard, en 1885, Wilhelm sa publie le premier atlas d’embryons humains, reconstruite à partir de coupes microscopiques. Cette collection a fourni un des premières descriptions détaillées de l’organogenèse et l’hypothèse sur la façon dont différents groupes de cellules s’arrangent pour organes de forme comme le coeur, des yeux et cerveau.

En 1924, les embryologistes Hans Spemann et Hilde Mangold sont une approche plus expérimentale à l’étude de l’organogénèse : ils ont effectué la transplantation de tissus chez les amphibiens d’étudier une région de l’embryon se développant maintenant connu comme l’organisateur de Spemann. L’organisateur d’un embryon à l’autre la transplantation induit la formation de tissus nerveux secondaires. Ce changement dans la structuration du développement en raison des interactions cellulaires est devenu connu comme « induction » et est une première étape cruciale dans la formation de nombreux organes.

Dans les décennies qui ont suivi cette découverte majeure, progrès de la microscopie et de biologie moléculaire signifiait que les embryons pourraient maintenant être étudiées au niveau cellulaire et moléculaire. Dans les années 1940, Salome Gluecksohn-Waelsch a utilisé la souris comme modèle pour comprendre que certains gènes pourraient réglementer l’aménagement de l’orgue. Elle a montré que les souris présentant des mutations dans le gène T-locus n’avait pas les structures importantes dans le développement du système nerveux, comme la notochorde.

Ce travail a ouvert la voie pour W. T. Green enquêter sur la génération de tissus in vitro durant les années 1970 par l’implantation de cellules de cartilage sain cultivés en laboratoire dans des souris nus. Bien que sans succès, en 1981 résultats de Green permis chercheurs, telles que Ioannis Yannas et Eugene Bell, présenter des tissus cultivés in vitro dans les animaux vivants. Cette technique a conduit à une percée majeure en 2008, lorsque Paolo Macchiarini a effectué la première greffe d’organe plénier tissulaire en remplaçant la bronche souche gauche du patient avec le tissu qui a été cultivé dans un laboratoire.

Maintenant que nous avons passé en revue quelques faits historiques marquants, examinons quelques questions fondamentales auxquels est aujourd'hui confronté le domaine de l’organogenèse.

Nous commencerons avec peut-être la question plus large d’embryologistes : comment des groupes de cellules transforment en organes fortement structurés ? Pour obtenir des réponses, chercheurs se concentrent souvent sur des événements morphologiques définis, comme la ramification des tubes simples dans les complexes réseaux tubulaires. Les mécanismes qui contrôlent ces processus dans un tissu peuvent être similaires à celles utilisées dans d’autres tissus avec des structures analogues, laquelle donne les chercheurs indices sur la façon de concevoir leurs expériences.

Embryologistes sont également intéressés par l’organogénèse directe comment certains gènes. Attention certains gènes individuels et le fonctionnement de leurs produits pour contrôler la taille et la forme des cellules, aussi bien montrer comment les cellules génèrent et répondent aux signaux afin de former un organe fonctionnel.

D’autres étudier les mécanismes qui déterminent quand et où les gènes sont exprimés. Facteurs de transcription, par exemple, sont des protéines qui se fixent à des séquences spécifiques d’ADN pour contrôler l’expression des gènes voisins. En réglementant simultanément les chaînes hi-fi de gènes qui définissent chaque identité de cellule en particulier, un relativement petit nombre de facteurs de transcription peut diriger la formation des organes ensemble.

Étant donné que les cellules sont également sensibles aux signaux mécaniques, de nombreux scientifiques explorent comment physique forces guide organogenèse. Certaines examinent comment la force générée par les fluides s’écoulant sur la surface des cellules, appelée contrainte de cisaillement, influe sur la différenciation cellulaire. D’autres considèrent comment tension tissulaire favorise les connexions entre les cellules, qui sont importants pour l’intégrité des tissus comme les muscles et les os.

Enfin, parce qu’il n’y a pas assez sains organes humains disponibles pour répondre à la nécessité pour les greffes, scientifiques sont concevoir de nouvelles façons d’organes dans le laboratoire de l’ingénieur. Leurs objectifs principaux incluent la création d’échafaudages, ou structures artificielles capable de soutenir des tissus en trois dimensions et optimiser les conditions de croissance de l’orgue. Cellules utilisés pour construire un organe, par exemple, doivent être en mesure d’étendre leur population rapidement tout en restant stables génétiquement. Lorsque les cellules sont assemblés avec succès dans les tissus, veiller à ce que l’organe développe une irrigation sanguine fonctionnelle est un défi supplémentaire.

Maintenant que vous avez une idée de certaines questions clés soulevées par les embryologistes, regardons quelques outils de recherche qu’ils utilisent pour trouver des réponses.

Différentes techniques d’imagerie sont utilisés pour regarder les cellules assemblé dans les organes plus complexes. Cartographie du destin est une approche qui s’appuie fortement sur l’imagerie, puisqu’il s’agit de repérage des cellules individuelles et leur progéniture au cours du développement. Pour créer des cartes de sort, scientifiques peuvent surveiller des cellules d’intérêt en les étiquetant avec peptides fluorescents.

L’imagerie est également nécessaire dans les expériences de greffes et transplantation de cellules. Ici, les cellules sont transplantés entre deux organismes, un donneur et un hôte et organisme propres marqueurs sont ensuite utilisés pour déterminer la façon dont l’identité et le placement des cellules transplantées détermine leur contribution au développement des organes.

Pour examiner le contrôle génétique du développement des organes, les scientifiques ont un certain nombre de stratégies pour manipuler l’expression des gènes dans le développement de tissus. Utilisant la technologie transgénique, par exemple, génomes animaux peuvent être modifiées pour augmenter ou diminuer l’expression de gènes spécifiques chez l’animal soit entier ou dans certains tissus. Pour une approche plus simple manipulation génétique, des techniques comme la transduction virale sont fréquemment utilisés pour livrer rapidement l’expression des gènes ou silencieux des constructions en petites populations de cellules.

Afin d’étudier le rôle des forces mécaniques au cours du développement, les scientifiques recourent souvent aux in vitro systèmes de culture qui imitent en vivo physiologie. Par exemple, les cellules cultivées sur des substrats souples peuvent être étirés quand ils grandissent. Cellules croissent aussi fréquemment dans des chambres spécialisées microfluidiques pour imiter la contrainte de cisaillement. Par immunofluorescence et autres méthodes de microscopie sont ensuite utilisés pour regarder comment le développement des tissus et des contacts cellulaires sont touchés.

Génie tissulaire est une technique axée sur l’application des connaissances de la formation des organes en thérapies cliniques et implique la mise en culture des cellules saines aux échafaudages biologiques. Échafaudages peuvent être construits en matériaux alvéolaires retrait des tissus à l’aide de détergents, de sels et enzymes et ensuite de repeupler le tissu d’intérêt avec des cellules souches. Alternativement, les échafaudages peuvent être créés des polymères biodégradables à l’aide de la charge électrique. Peu importe comment ils sont faits, les échafaudages sont ensemencées avec des cellules et cultivées dans des conditions contrôlées dans les configurations spécialisées appelées bioréacteurs.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec certaines approches communes à l’étude de l’organogénèse, regardons comment ces méthodes sont appliquées.

Les organismes qui contiennent des cellules de plus d’un génome, appelés chimères embryonnaires, sont des outils utiles pour suivre les mouvements de la cellule. Dans cette expérience, zebrafish chimères ont été faites par la transplantation de cellules du donneur fluorescent étiquetés aux embryons d’hôte sans étiquette. Ces transplantations ont été utilisées pour étudier le rôle des migrations et la cellule détermination sort dans le développement de structures embryonnaires comme les muscles et le cerveau.

Pour comprendre le rôles des gènes spécifiques jouer dans le développement des organes, les scientifiques modifient l’expression des gènes. Dans cette expérience, les oligonucléotides antisens gène-spécifique, appelées morpholinos, ont été tout d’abord injectés dans oeufs fécondés de poisson-zèbre. Ensuite, en développement des coeurs ont été analysés à l’aide d’un marqueur fluorescent sélectivement exprimé dans le muscle cardiaque. Ici, le knockdown combinée de deux gènes complètement bloqué développement cardiaque.

Génie tissulaire permet aux chercheurs d’étudier les interactions entre les différents types de cellules et combler le fossé entre les études in vitro et in vivo . Dans cette expérience, les reconstructions de la peau humaine ont été produites en laboratoire. Pour regarder les développement de la peau, ainsi que la progression du cancer, migration de cellules souches de peau a été suivie à l’aide de protéines fluorescent étiquetées. Les reconstructions de peau ont été ensuite greffées sur des souris afin d’étudier le sort de cellules de peau et de la physiologie dans un système vivant.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à l’organogenèse. Dans cette vidéo, nous avons examiné l’historique de recherche de l’organogenèse et a présenté les principales questions posées par les embryologistes. Aussi, nous avons exploré les stratégies d’éminents chercheurs dans le domaine et discuté de certaines de leurs applications actuelles. Merci de regarder !

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