Bodźce mechaniczne znacząco wpływają na wzrost narządów

Bodźce mechaniczne znacząco wpływają na wzrost narządów

Oprócz czynników chemicznych, wpływy mechaniczne odgrywają ważną rolę w naturalnym wzroście narządów ludzkich, takich jak nerki, płuca i gruczoły sutkowe, ale także w rozwoju nowotworów. Obecnie zespół badawczy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM) szczegółowo zbadał ten proces przy użyciu organoidów, trójwymiarowych układów modelowych takich narządów, które są produkowane w laboratorium.

Organoidy to trójwymiarowe układy modelujące różne ludzkie narządy. Uprawiane w laboratorium wykazują właściwości zbliżone do właściwości rzeczywistej tkanki ciała. Organoidy oferują nauce nowe możliwości symulacji i badania procesów wzrostu narządów. Procesów tych nie można było zaobserwować w stosowanych w przeszłości uproszczonych dwuwymiarowych układach modelowych.

Wykorzystując organoidy gruczołu sutkowego do analizy złożonych interakcji komórek z otaczającą tkanką, naukowcy z Politechniki Monachijskiej, Helmholtz Zentrum München i Ruhr-Universität Bochum wykazali, że wzrost tkanki gruczołowej w ludzkiej piersi jest wyraźnie pod wpływem dzięki właściwościom mechanicznym otaczającej sieci kolagenowej.

Zintegrowany dynamiczny proces rozwoju

Organoidy wyhodowane przez zespół tworzą rozgałęzione przewody gruczołowe, których struktura i organizacja bardzo przypominają ludzkie gruczoły sutkowe. Podczas procesu wzrostu poszczególne gałęzie organoidalne wnikają w otaczającą macierz kolagenową.

„Zaczynając od pojedynczej komórki macierzystej, w ciągu zaledwie 14 dni te organoidy tworzą złożoną, rozgałęzioną, trójwymiarową strukturę składającą się z kilku tysięcy komórek. To absolutnie fascynujące” – mówi Andreas Bausch, profesor biofizyki komórkowej na TU Monachium i szef grupy badawczej.

Zespół badawczy wykorzystał mikroskopię czasowo rozdzieloną na rosnących strukturach w ciągu kilku dni i skutecznie szczegółowo monitorował dynamiczny proces rozwoju. Odkryli, że wzrost organoidów jest zasadniczo podyktowany zbiorowymi ruchami komórek.

Rozszerzając się w kierunku ruchu, a następnie ponownie kurcząc się, komórki wytwarzają siły tak silne, że deformują otaczającą macierz kolagenową, umożliwiając organoidowi samodzielną organizację kierunku własnego dalszego wzrostu.

Bodźce mechaniczne znacząco wpływają na wzrost narządów

Stabilna „klatka” kolagenowa

„Jest to możliwe dzięki mechanicznej plastyczności kolagenu” – mówi Benedikt Buchmann, główny autor badań zespołu badawczego. „Kiedy poszczególne komórki poruszają się wspólnie tam i z powrotem, wytwarzają takie napięcie, że komórki gałęzi mogą deformować macierz kolagenową”.

W wyniku całego procesu powstaje stabilna mechanicznie „klatka” kolagenowa, która ostatecznie otacza rosnącą gałąź. Ta klatka kolagenowa kontroluje następnie dalsze generowanie napięcia, wzrost gałęzi i plastyczne odkształcenie matrycy.

Odkrycia te stanowią podstawę do wykorzystania tego systemu modelowego do badania bardziej złożonych procesów, takich jak pierwsze etapy przerzutów lub wzajemne interakcje z innymi typami komórek. Obecnie trwają intensywne badania mające na celu ustalenie, czy ten mechanizm samoorganizacji występuje również w innych narządach.