Предотвращение деформации конечностей: обнаружена новая связь между физическими силами и развитием конечностей
Инженеры Университета Торонто и детский хирург обнаружили, что физические силы, такие как давление и напряжение, влияют на развитие конечностей у эмбрионов. Это исследование может в будущем помочь предотвратить врожденные дефекты.
Команда, включая инженера-механика Ю Суня, биоинженера Родриго Фернандеса-Гонсалеса и хирурга из SickKids Hospital доктора Севана Хопяна, использовала визуализацию в реальном времени и компьютерные модели для изучения связи между механическими силами, изменениями формы клеток и их движением в эмбрионе.
Их исследование, опубликованное в Nature Cell Biology, применило передовые методы для получения важных данных о фундаментальных процессах развития рук и ног.
Картирование роста «прото-конечностей»
Эмбрион начинает развитие в форме шара, а затем формирует сложные структуры, такие как конечности. На ранних стадиях клетки делятся на три слоя:
- эктодерма (формирует нервную систему, кожу и органы чувств);
- мезодерма (образует скелет, мышцы и большинство основных органов);
- энтодерма (превращается в дыхательные пути и выделительные системы).
В исследовании команда изучила поведение клеток эктодермы, способствующее развитию конечностей. Они использовали уникальные инструменты: лазеры для микрохирургической абляции, атомно-силовые микроскопы и послойные компьютерные модели, чтобы детально исследовать ранние стадии формирования конечностей.
Было обнаружено, что по мере деления и развития клеток способ их взаимодействия друг с другом, а также давление, возникающее в результате движения трех клеточных слоев, могут влиять на правильность формирования зачатков конечностей — ранних структур будущих рук или ног.
«Мы нашли удивительные доказательства того, как механические силы регулируют ремоделирование клеток в слое эктодермы и как меняется поле напряжений при изменении формы эктодермы в процессе развития», — говорит профессор Сунь.
До этой работы у ученых и инженеров не было инструментов для понимания изменений формы на уровне ткани и небольших групп клеток.
Благодаря открытиям исследователи теперь знают, что два основных клеточных слоя, эктодерма и мезодерма, взаимодействуют как механически, так и биохимически (через молекулы). Это взаимодействие связано с изменениями в эмбрионе.
Инженерные идеи из мира клетки
«Мы знали некоторые гены, важные для структуры эмбриона, но не понимали, как эти пути связаны с движением клеток», — говорит Хопян.
Для измерения механических сил авторы использовали методы, заимствованные из производства и инженерии, включая применение лазера для разрезания контактов между клетками.
«Если вы держите резинку в руках, и я разрежу ее, когда она ослаблена, ничего не произойдет. Но если вы растянете резинку, ваши руки отдернутся, когда я ее разрежу. По сути, то же самое происходит с границами клеток», — объясняет Фернандес-Гонсалес.
Путь к предотвращению дефектов конечностей
Хотя исследование носит фундаментальный характер, оно позволит команде и другим ученым сделать важные шаги вперед, например, измерять силы внутри и между клетками.
Работа также открывает путь к созданию более точных симуляций ремоделирования клеток и раннего развития конечностей.
«Это исследование может в будущем найти применение в потенциальных медицинских приложениях для предотвращения деформаций конечностей», — говорит Хопян.
Это одна из первых работ, в которой команда применила биофизические методы для изучения механики клеток и тканей у живых млекопитающих.
Возможным долгосрочным результатом в этой области исследований может стать создание препарата, способного изменять механическое напряжение в клетках эмбрионов, исправляя то, что в противном случае стало бы деформированной конечностью.