Οι «μποτιλιαρίσματα» κυττάρων βοηθούν στη γλυπτική των εμβρύων

Τι κοινό έχουν τα αρχαία όργανα, η κυκλοφοριακή συμφόρηση και η αφρώδης κεφαλή αφρού στην κορυφή ενός ποτηριού μπύρας; Πολύ περισσότερο από το αναμενόμενο, σύμφωνα με αποτελέσματα που δημοσιεύονται στο Nature νωρίτερα αυτό το μήνα. Για πρώτη φορά, χρησιμοποιώντας μια σειρά από έξυπνες, υπερσύγχρονες τεχνικές, οι επιστήμονες αποκάλυψαν την ισορροπία των φυσικών δυνάμεων που διαμορφώνουν τους ιστούς στα αναπτυσσόμενα έμβρυα. Και η διαδικασία που εντόπισαν αποδείχθηκε εκπληκτικά οικεία — όχι για το ρόλο της στη βιολογία, αλλά για το ρόλο της στην επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί κατανοούν μια σειρά από υλικά που κυμαίνονται από οδοντόκρεμα μέχρι γυαλί.

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Otger Campàs, βιοφυσικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, μελέτησε τις δυνάμεις σε ένα έμβρυο ψαριού που καθορίζουν τον μακρύ άξονα του σώματός του. Αυτό το κρίσιμο στάδιο ανάπτυξης, βρήκαν, διέπεται από αυτό που είναι γνωστό ως μετάβαση εμπλοκής:Στην άκρη αυτού που γίνεται η ουρά, τα κύτταρα μπορούν να ρέουν ελεύθερα το ένα δίπλα στο άλλο σαν υγρό, αλλά πιο κοντά στο κεφάλι, μπλοκάρονται όλο και περισσότερο μεταξύ τους. και τελικά συμπεριφέρονται περισσότερο σαν στερεά. Αυτές οι διαφορές με τη σειρά τους καθορίζουν πώς επιμηκύνεται το σώμα και πώς μπορούν να σμιλευτούν διάφορες δομές κατά μήκος αυτού του άξονα.

Οι φυσικοί μελετούν τη θεωρία παρεμβολής σε άψυχα συστήματα τα τελευταία 20 χρόνια. Διαπίστωσαν ότι υλικά όπως γυαλιά, κολλοειδή και αφροί παγιδεύονται σε μια κατάσταση μακριά από την ισορροπία, ούτε πλήρως στερεά ούτε ρευστά. Κατά συνέπεια, παρόλο που οι βασικές τους μονάδες παραμένουν ακριβώς οι ίδιες - είτε σαπουνόφουσκες, κόκκοι άμμου ή μόρια σε ένα πολυμερές - μπορούν μερικές φορές να ρέουν συλλογικά σαν υγρά ή να μπλοκάρουν μαζί σαν σωματίδια σε ένα στερεό. (Οι ίδιες εξισώσεις περιγράφουν επίσης τη συμπεριφορά, ας πούμε, των αυτοκινήτων στην κυκλοφορία.)

Οι φυσικοί της μαλακής ύλης αποκάλυψαν τρία κριτήρια που χαρακτήριζαν αυτά τα συστήματα:πόσο κενός χώρος υπάρχει μεταξύ των σωματιδίων, πόσο πυκνά είναι συσκευασμένα τα σωματίδια και πόσο μπορούν να κινηθούν τα σωματίδια.

Ο Campàs και οι συνεργάτες του μέτρησαν και τις τρεις ιδιότητες σε διαφορετικές περιοχές του αναπτυσσόμενου εμβρύου ψαριού ζέβρας, από το κεφάλι μέχρι την ουρά, και έδειξαν ότι ο τρόπος με τον οποίο συσσωρεύονται τα κύτταρα και αλλάζουν τη συμπεριφορά τους ταιριάζει επίσης με τη θεωρία της εμπλοκής. Παλαιότερα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα κύτταρα ουσιαστικά βελτίωναν τις δυνάμεις, ασκώντας περισσότερη πίεση εδώ, λιγότερο εκεί, για να καθοδηγήσουν τα πάντα στη θέση τους, όπως ένας γλύπτης που σχηματίζει πηλό. «Αντίθετα», είπε ο Campàs, «είναι περισσότερο σαν να φυσάς γυαλί», σαν να υγροποιείς ένα μέρος που χρειάζεται γλυπτική και μετά να αφήνεις τη νέα του μορφή να δέσει.

Χρειάστηκαν οκτώ χρόνια για να αναπτυχθούν οι τεχνικές που απαιτούνται για την επίδειξη και τη μέτρηση αυτών των δυνάμεων σε εμβρυϊκούς ιστούς. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά μια μικροσκοπική γυάλινη βελόνα, με το άκρο της να έχει διάμετρο μόνο 10 μικρά, για να εγχύσει μια μόνο σταγόνα σιδηρομαγνητικού υγρού μεταξύ των κυττάρων του εμβρύου. Καθώς το ψάρι ζέβρα αναπτύχθηκε, οι επιστήμονες μέτρησαν πώς άλλαξε το σχήμα της σταγόνας, επιτρέποντάς τους να προσδιορίσουν τη δύναμη των δυνάμεων που ασκούσαν ενεργά τα κύτταρα το ένα στο άλλο. Στη συνέχεια άνοιξαν ένα μαγνητικό πεδίο για να ελέγξουν οι ίδιοι το σταγονίδιο και διαπίστωσαν ότι όταν απενεργοποίησαν το πεδίο, το σταγονίδιο δεν επέστρεψε πλήρως στο προηγούμενο σφαιρικό του σχήμα. Κατά συνέπεια, μπόρεσαν να μετρήσουν την ποσότητα του στρες που απαιτείται για τη μόνιμη παραμόρφωση του ιστού (που ονομάζεται επίσης και το στρες διαρροής).

Αυτές οι ποσότητες δεν είχαν ληφθεί ποτέ πριν από ένα βιολογικό σύστημα. Στην πραγματικότητα, τέτοιες μετρήσεις είχαν επιτευχθεί σπάνια σε αδρανή υλικά (αν και ο Campàs είπε ότι, στο εξής, η μέθοδος σταγονιδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αυτά τα συστήματα).

Προς το άκρο της ουράς του εμβρύου, το στρες διαρροής ήταν χαμηλότερο από τις ενεργές κυτταρικές δυνάμεις και υπήρχε περισσότερος χώρος μεταξύ των κυττάρων, επιτρέποντάς τους να κουνηθούν και να ρέουν, να «λιώσουν» τοπικά και να μορφοποιήσουν τον ιστό. Πιο κοντά στο κεφάλι, ωστόσο, τα κενά μεταξύ των κυττάρων έκλεισαν και οι τάσεις διαρροής αυξήθηκαν, αφήνοντας τις ενεργές δυνάμεις των κυττάρων πολύ αδύναμες για να τις ξεπεράσουν. Ο ιστός άκαμπτος. "Είναι σαν να οδηγείτε ένα αυτοκίνητο και οι [ενεργές κυψελοειδείς] δυνάμεις είναι το αέριο και η μετάβαση της εμπλοκής είναι το φρένο", είπε ο Campàs.

Με άλλα λόγια, «είναι μια πραγματική μετάβαση από ρευστό σε στερεό από την οπτική γωνία της εμπλοκής», δήλωσε ο Βίκας Τριβέντι, βιομηχανικός στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στη Βαρκελώνη, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Ότι κάτι τόσο απλό όσο μια μετάβαση παρεμβολής μπορεί να οδηγήσει τη διαδικασία σχηματισμού αξόνων, η οποία είναι τόσο θεμελιώδης για την ανάπτυξη των ζώων», είπε, «είναι καινοτόμο για ένα βιολογικό σύστημα».

Πέρα από την αποκάλυψη μιας μετάβασης εμπλοκής, οι μετρήσεις έδειξαν ότι ο ιστός συμπεριφέρεται κάτι σαν αφρός σαπουνιού ή αφρό μπύρας. Η ιδέα της μοντελοποίησης ιστών ως αφρού χρονολογείται πριν από 100 χρόνια, στο έργο του D'Arcy Thompson, ενός από τους πρωτοπόρους της μαθηματικής βιολογίας — αλλά τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν αποδείξεις ότι μια τέτοια κατανόηση μπορεί να προσθέσει στη βιολογία ουσιαστικό τρόπο.

Η εργασία αποσκοπεί επίσης να ενημερώσει τη συνεχιζόμενη έρευνα σχετικά με την εμπλοκή σε άλλα βιολογικά πλαίσια. Φυσικοί όπως η Lisa Manning του Πανεπιστημίου Syracuse έχουν χρησιμοποιήσει τεχνικές μοντελοποίησης για να εξετάσουν τις μεταβάσεις εμπλοκής σε κυτταρικά συστήματα όπου η πυκνότητα και ο χώρος δεν είναι παράγοντες, όπως σε επίπεδους ιστούς όπου τα κύτταρα συσσωρεύονται χωρίς κενά. Ανακάλυψαν ότι το σχήμα των κυττάρων από μόνο του μπορεί να προβλέψει εάν μια περιοχή ιστού θα λειτουργήσει σαν υγρό ή στερεό.

Ο Jeffrey Fredberg, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, επιβεβαίωσε τις προβλέψεις του Manning, τόσο στα καλλιεργημένα συστήματα όσο και, πιο πρόσφατα, στο έμβρυο της μύγας των φρούτων. Τα ευρήματα του Campàs έφεραν αυτό το έργο από δύο διαστάσεις σε τρεις. «Τώρα που αυτή η ιδέα της εμπλοκής κυψελών έχει αποδειχθεί σε δύο ζωντανά μοντέλα ανάπτυξης, είναι ξεκάθαρα ότι δεν είναι απλώς μια ατυχία», είπε ο Φρέντμπεργκ. "Είναι κάτι βασικό για όλη την κυτταρική βιολογία."

Υπάρχει επίσης μια ενδιαφέρουσα διαφορά στις συμπεριφορές των δισδιάστατων φύλλων που μελέτησαν οι Manning και Fredberg και των τρισδιάστατων ιστών με τους οποίους δούλεψε ο Campàs. Στα πειράματα του Manning, η μεγαλύτερη πρόσφυση ή η κολλητικότητα μεταξύ των κυττάρων οδήγησε σε λιγότερη εμπλοκή - το αντίθετο από αυτό που παρατήρησε η ομάδα του Campàs. Αυτές οι διαφορές «υποδηλώνουν ότι παρόλο που οι μεταβάσεις υγρού σε στερεό χρησιμοποιούνται παντού, υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα κύτταρα για να οδηγήσουν αυτές τις μεταβάσεις», είπε ο Manning. "Ακριβώς όπως μπορείτε να παγώσετε ένα ποτήρι νερό είτε αλλάζοντας την πίεση είτε αλλάζοντας τη θερμοκρασία."

Ο Campàs, ο Manning και ο Fredberg περιμένουν όλοι να δουν μεταβάσεις εμπλοκής και αλλού:στον σχηματισμό οργάνων, για παράδειγμα, και στη μετάσταση καρκίνων όπου η απεμπλοκή θα μπορούσε να επιτρέψει σε συλλογές κυττάρων να μεταναστεύσουν μακριά από συμπαγείς όγκους (κάτι που οι ερευνητές βλέπουν ήδη υπαινιγμούς) . "Πολλά συστήματα θα πρέπει να επανεξεταστούν στο πλαίσιο της παρεμβολής", είπε ο Fredberg.

Ένα πρώτο βήμα θα σημαίνει τον προσδιορισμό του πόσο διατηρημένος είναι ο μηχανισμός που παρατήρησε το Campàs:εάν τον χρησιμοποιούν και άλλα είδη, και εάν εμφανίζεται τόσο σε αναπτυσσόμενους όσο και σε ενήλικους ιστούς — για να μην αναφέρουμε πώς τον επηρεάζουν τα γονίδια.

"Νομίζω ότι αυτή η μετάβαση θα μπορούσε να είναι ένα παράδειγμα που χρησιμοποιείται παντού", είπε ο Manning.