Mechanische stimuli hebben een significante invloed op de orgaangroei

Mechanische stimuli hebben een significante invloed op de orgaangroei

Naast chemische factoren spelen mechanische invloeden een belangrijke rol bij de natuurlijke groei van menselijke organen zoals nieren, longen en borstklieren, maar ook bij het ontstaan ​​van tumoren. Nu heeft een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) het proces in detail onderzocht met behulp van organoïden, driedimensionale modelsystemen van dergelijke organen die in het laboratorium worden geproduceerd.

Organoïden zijn driedimensionale systemen die verschillende menselijke organen modelleren. Ze worden in het laboratorium gekweekt en vertonen eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van echt lichaamsweefsel. Organoïden bieden de wetenschap nieuwe mogelijkheden om de processen van orgaangroei te simuleren en te onderzoeken. Deze processen konden niet worden waargenomen in de vereenvoudigde tweedimensionale modelsystemen die in het verleden werden gebruikt.

Met behulp van borstklierorganoïden om de complexe interacties van cellen met omringend weefsel te analyseren, hebben wetenschappers van de Technische Universiteit van München, het Helmholtz Zentrum München en de Ruhr-Universität Bochum aangetoond dat de groei van het klierweefsel in de menselijke borst expliciet wordt beïnvloed door de mechanische eigenschappen van het omringende collageennetwerk.

Geïntegreerd dynamisch ontwikkelingsproces

De organoïden die door het team zijn gekweekt, vormen vertakte klierkanalen waarvan de structuur en organisatie sterk lijken op die van de menselijke borstklier. Tijdens het groeiproces dringen de afzonderlijke organoïde takken de omringende collageenmatrix binnen.

“Begonnen met een enkele stamcel, vormen deze organoïden in slechts 14 dagen een complexe, vertakte, driedimensionale structuur bestaande uit enkele duizenden cellen. Dit is absoluut fascinerend”, zegt Andreas Bausch, hoogleraar Cellulaire Biofysica aan de TU München en hoofd van de onderzoeksgroep.

Het onderzoeksteam gebruikte in de loop van enkele dagen temporeel opgeloste microscopie op de groeiende structuren en volgde het dynamische ontwikkelingsproces met succes in detail. Ze ontdekten dat de organoïde groei grotendeels wordt bepaald door collectieve bewegingen van de cellen.

Door in de bewegingsrichting uit te zetten en vervolgens weer samen te trekken, genereren de cellen krachten die zo sterk zijn dat ze de omringende collageenmatrix vervormen, waardoor de organoïde zelfstandig de richting van zijn eigen verdere groei kan bepalen.

Mechanische stimuli hebben een significante invloed op de orgaangroei

Stabiele collageen 'kooi'

"Dit wordt mogelijk gemaakt door de mechanische plasticiteit van het collageen", zegt Benedikt Buchmann, hoofdauteur van de studie van het onderzoeksteam. "Wanneer de individuele cellen collectief heen en weer bewegen, produceren ze zo'n spanning dat de cellen van een tak de collageenmatrix kunnen vervormen."

Het totale proces resulteert in de vorming van een mechanisch stabiele collageen 'kooi' die uiteindelijk de groeiende tak omringt. Deze collageenkooi regelt vervolgens de verdere opwekking van spanning, de groei van de takken en de plastische vervorming van de matrix.

Deze bevindingen vormen de basis voor het gebruik van dit modelsysteem om complexere processen te onderzoeken, zoals de eerste stappen in metastase of onderlinge interactie met andere celtypen. Intensief lopend onderzoek is nu onderweg om vast te stellen of dit zelforganisatiemechanisme ook in andere organen voorkomt.