Руководство инженера по эмбриону
Примерно за 48 часов одна клетка оплодотворенной яйцеклетки лягушки претерпевает драматические изменения, развивая жизненно важные части тела: мышцы, скелет, глаза, сердце и хвост головастика. Ученые изучают этот процесс, чтобы лучше понять развитие человека, врожденные дефекты и рак, а также продвинуть технологии, такие как создание органоидов и клеточная заместительная терапия. Ученые могут нарушать, приостанавливать и ускорять развитие эмбриона, но не могут точно объяснить, как оно работает. При поддержке Национальных институтов здравоохранения (NIH) биоинженеры из Университета Питтсбурга пытаются понять, что происходит внутри яйца.
NIH выделил Лансу Дэвидсону, профессору биоинженерии в Школе инженерии Суонсона, $1 327 207 на исследование "Биомеханика морфогенеза". Доктор Дэвидсон, возглавляющий лабораторию MechMorpho, намерен применить подход инженера-строителя к биомеханике развивающихся эмбрионов.
Исследователи из Питтсбурга проводят обратный инжиниринг механических процессов, которые формируют базовый план тела и развитие органов у эмбрионов, используя тесты, методы и инструменты, более характерные для лаборатории механики, чем для лаборатории молекулярной генетики.
"Если бы вы впервые увидели мост, как бы вы поняли, как он работает?" — спрашивает доктор Дэвидсон. — "Генетик мог бы разбить его на куски и проанализировать работу каждого, а инженер посмотрел бы на конструкцию в целом, измерив силу и движение. Он бы нагрузил его и посмотрел, когда он сломается. Мы применяем эти принципы структурного анализа для понимания эмбрионов".
В лаборатории Дэвидсона работают с Xenopus — лягушкой, обитающей в Африке к югу от Сахары. Эмбрионы и ткани лягушек идеально подходят для исследований, потому что они невероятно устойчивы к лабораторным условиям и "прикосновениям" инженера. Даже после удаления из защитных оболочек, индукции генетических дефектов или инъекции флуоресцентных белковых маркеров эти лягушки не "издают последний квак".
"Мы используем лягушек, потому что их ткани можно легко извлечь, и они продолжат правильно расти, — говорит Дэвидсон. — Глаз или мозг лягушки можно изолировать, и они продолжат расти в чашке Петри. С мышью или рыбой такого не произойдет. Если разрезать внешний слой эмбриона не-амфибии, он не сохранит структуру. Эмбрионы лягушек больше похожи на пластилин: ткани можно вырезать, вклеивать и менять их форму, хотя пластилин все еще намного жестче этих эмбрионов".
Яйца лягушек начинают развитие размером с кончик карандаша. В области, привыкшей работать со стальными балками или железобетоном, группе Дэвидсона приходится проявлять творческий подход к инструментам.
"Для микрохирургии эмбрионов лягушки мы используем скальпель из человеческого волоса с брови и петлю из детского волоса, — говорит Дэвидсон. — Эмбрионы крошечные, мокрые и мягкие, но они все же подчиняются тем же принципам формообразования, что сталь или дерево".
"Инженер-строитель или механик может регулярно проводить испытания с напряжением в десять миллионов паскалей", — продолжает он. Десять миллионов паскалей — это примерно давление воды из мойки высокого давления, а один паскаль — давление, которое оказывает на стол один лист бумаги. — "Нам же приходится разрабатывать специальные инструменты, которые могут как прикладывать, так и измерять напряжение от 5 до 20 паскалей. Такое нельзя просто заказать на Amazon, поэтому мы импровизируем в лаборатории, проектируя и создавая оборудование под наши нужды".
Изучая механику морфогенеза — процесса изменения формы эмбриона, — доктор Дэвидсон надеется разработать инструмент, который даст биоинженерам гораздо большее понимание и контроль над самосборкой тканей.
"Во многих инженерных областях есть какое-то программное обеспечение или инструмент моделирования, который позволяет убрать элемент догадки из проектов еще до начала строительства. Мы разрабатываем нечто подобное для тканевых инженеров, чтобы им не приходилось постоянно полагаться на метод проб и ошибок", — объясняет Дэвидсон.
Испытания на ползучесть, карты деформаций и микроаспирация — все эти инженерные техники использует команда Дэвидсона, чтобы понять фундаментальную механику морфогенеза.
"В ходе одного исследования совершенно случайно мы наблюдали две группы яиц, одна из которых изначально была примерно вдвое больше другой. Мы наблюдали, как эмбрионы развиваются бок о бок. Из-за разницы в начальном размере мы ожидали увидеть множество структурных деформаций или, по крайней мере, головастиков вдвое больше. К нашему удивлению, многие эмбрионы из "больших яиц" выжили, и их головастики выросли до того же размера, что и головастики из "маленьких яиц", каким-то образом умудрившись самоскорректироваться в процессе развития", — говорит Дэвидсон.
В то время, когда тканевая инженерия становится все более полезной в терапиях регенеративной медицины, доктор Дэвидсон оценивает, что во всем мире существует всего около пяти или шести других групп, которые проводят измерения материальных свойств в живой ткани позвоночных, таких как лягушки. Опираясь на свои исследования и комбинируя их с результатами финансируемого NIH в 2016 году исследования "Механический контроль мезенхимально-эпителиального перехода", он продолжит изучать механику роста тканей.