Τα μηχανικά ερεθίσματα επηρεάζουν σημαντικά την ανάπτυξη των οργάνων

Τα μηχανικά ερεθίσματα επηρεάζουν σημαντικά την ανάπτυξη των οργάνων

Εκτός από τους χημικούς παράγοντες, οι μηχανικές επιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη φυσική ανάπτυξη ανθρώπινων οργάνων όπως νεφρά, πνεύμονες και μαστικοί αδένες - αλλά και στην ανάπτυξη όγκων. Τώρα μια ερευνητική ομάδα στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (TUM) διερεύνησε τη διαδικασία λεπτομερώς χρησιμοποιώντας οργανοειδή, τρισδιάστατα μοντέλα συστημάτων τέτοιων οργάνων που παράγονται στο εργαστήριο.

Τα οργανοειδή είναι τρισδιάστατα συστήματα μοντελοποίησης διαφόρων ανθρώπινων οργάνων. Αναπτύσσονται στο εργαστήριο, παρουσιάζουν ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του πραγματικού ιστού του σώματος. Τα οργανοειδή προσφέρουν στην επιστήμη νέες ευκαιρίες για προσομοίωση και διερεύνηση των διαδικασιών ανάπτυξης οργάνων. Αυτές οι διαδικασίες δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν στα απλουστευμένα δισδιάστατα μοντέλα συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν.

Χρησιμοποιώντας οργανοειδή των μαστικών αδένων για την ανάλυση των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων των κυττάρων με τον περιβάλλοντα ιστό, επιστήμονες στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, το Helmholtz Zentrum München και το Ruhr-Universität Bochum έχουν δείξει ότι η ανάπτυξη του ιστού του αδένα στο ανθρώπινο στήθος επηρεάζεται ρητά από τις μηχανικές ιδιότητες του περιβάλλοντος κολλαγόνου.

Ολοκληρωμένη διαδικασία δυναμικής ανάπτυξης

Τα οργανοειδή που αναπτύσσονται από την ομάδα σχηματίζουν διακλαδισμένους αδενικούς αγωγούς των οποίων η δομή και η οργάνωση μοιάζουν πολύ με αυτήν του ανθρώπινου μαστικού αδένα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης τα επιμέρους οργανικά κλαδιά εισβάλλουν στη γύρω μήτρα κολλαγόνου.

«Ξεκινώντας με ένα μόνο βλαστικό κύτταρο, σε μόλις 14 ημέρες αυτά τα οργανοειδή σχηματίζουν μια σύνθετη, διακλαδισμένη, τρισδιάστατη δομή που αποτελείται από αρκετές χιλιάδες κύτταρα. Αυτό είναι απολύτως συναρπαστικό », λέει ο Andreas Bausch, καθηγητής Κυτταρικής Βιοφυσικής στο TU Munich και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε προσωρινά διαλυμένη μικροσκοπία στις αναπτυσσόμενες δομές κατά τη διάρκεια αρκετών ημερών και παρακολούθησε επιτυχώς τη διαδικασία δυναμικής ανάπτυξης. Ανακάλυψαν ότι η ανάπτυξη των οργανοειδών υπαγορεύεται ουσιαστικά από συλλογικές κινήσεις των κυττάρων.

Επεκτείνοντας προς την κατεύθυνση της κίνησης και στη συνέχεια συστέλλονται ξανά, τα κύτταρα παράγουν δυνάμεις τόσο ισχυρές που παραμορφώνουν τη γύρω μήτρα κολλαγόνου, καθιστώντας δυνατό για το οργανοειδές να οργανώσει ανεξάρτητα την κατεύθυνση της δικής του περαιτέρω ανάπτυξης.

Τα μηχανικά ερεθίσματα επηρεάζουν σημαντικά την ανάπτυξη των οργάνων

Σταθερό κολλαγόνο «κλουβί»

«Αυτό γίνεται εφικτό από τη μηχανική πλαστικότητα του κολλαγόνου», λέει ο Benedikt Buchmann, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης της ερευνητικής ομάδας. «Όταν τα μεμονωμένα κύτταρα κινούνται μπρος-πίσω συλλογικά παράγουν τέτοια ένταση που τα κύτταρα ενός κλάδου μπορούν να παραμορφώσουν τη μήτρα κολλαγόνου.»

Η συνολική διαδικασία οδηγεί στο σχηματισμό ενός μηχανικά σταθερού κολλαγόνου «κλουβιού» που τελικά περιβάλλει τον αναπτυσσόμενο κλάδο. Αυτός ο κλωβός κολλαγόνου ελέγχει στη συνέχεια την περαιτέρω παραγωγή τάσης, την ανάπτυξη των κλαδιών και την πλαστική παραμόρφωση της μήτρας.

Αυτά τα ευρήματα παρέχουν τη βάση για τη χρήση αυτού του μοντέλου συστήματος για τη διερεύνηση πιο πολύπλοκων διαδικασιών, όπως τα πρώτα βήματα στη μετάσταση ή η αμοιβαία αλληλεπίδραση με άλλους τύπους κυττάρων. Η εντατική τρέχουσα έρευνα βρίσκεται τώρα στο δρόμο για να προσδιοριστεί εάν αυτός ο μηχανισμός αυτοοργάνωσης εμφανίζεται και σε άλλα όργανα.