El desarrollo embrionario es un proceso de profunda transformación física, uno que ha desafiado a los investigadores durante siglos. ¿Cómo controlan los genes y las moléculas las fuerzas y la rigidez de los tejidos para orquestar la aparición de la forma en el embrión en desarrollo? ¿Cómo son los mecanismos precisos subyacentes a la aparición de lacomplejidad de nuestros órganos y tejidos codificados en nuestro ADN?
Nandan Nerurkar, profesor asistente de ingeniería biomédica en Columbia Engineering, está trabajando para responder estas preguntas. Como becario postdoctoral en la Facultad de Medicina de Harvard, Nerurkar se centró en un aspecto particular del desarrollo embrionario: cómo un grupo de células madre: el endodermo- se mueve desde la superficie del embrión en desarrollo hacia el centro y, al hacerlo, se transforma de una lámina plana a un tubo hueco. Esta estructura, conocida como tubo intestinal, forma el revestimiento de todo el tracto respiratorio y gastrointestinal.
En un estudio publicado hoy en Naturaleza Nerurkar trabajó con colegas de Harvard para arrojar nueva luz sobre este paso crítico en el desarrollo embrionario temprano. El equipo descubrió que la formación del tubo intestinal es impulsada por movimientos celulares colectivos del endodermo, un proceso mediante el cual las células viajan grandes distancias en masa, sinreorganizando uno con respecto al otro. También descubrieron que este movimiento colectivo es provocado por células que están convirtiendo un gradiente molecular en un gradiente de fuerza que conduce las células desde la superficie hacia el embrión. Este descubrimiento es uno de los pocos ejemplos, especialmente entre los vertebrados,de cómo las señales moleculares se convierten en las fuerzas físicas que dan forma a nuestros órganos.
Los hallazgos del estudio podrían tener implicaciones importantes sobre cómo se usan las células madre para crear órganos funcionales en el laboratorio, y conducir a una mejor comprensión de las causas subyacentes de los defectos de nacimiento gastrointestinales ". Nuestro objetivo principal es comprender cómo nosotros, como complejosLos organismos se forman con tanta precisión a partir de una bola de células aparentemente desorganizada: el embrión temprano ", dice Nerurkar, autor principal del estudio.
La identificación de genes que impulsan la diferenciación de células madre en tipos de células maduras, el foco principal en el campo de Nerurkar, es un paso importante hacia el crecimiento de los órganos de reemplazo en el laboratorio. Sin embargo, Nerurkar sugiere que esto es solo una parte de la imagen: "es igualmente importante entender cómo instruir a esas células para que se organicen en órganos tridimensionales funcionales. El embrión en desarrollo es la receta para esto, y muchos grupos de investigación, incluido el nuestro, ahora están aprovechando el lenguaje de la física y la mecánica para diseccionarlo ".
El equipo, que incluía al asesor postdoctoral de Nerurkar Clifford J. Tabin, el profesor George Jacob y Jacqueline Hazel Leder y presidente de genética en la Facultad de Medicina de Harvard, y el colaborador L Mahadevan, el profesor Lola England de Valpine de Matemática Aplicada y profesor deLa biología organísmica y evolutiva, y la física en la Universidad de Harvard, utilizaron un enfoque innovador en la vanguardia del campo de la biología del desarrollo. Combinaron enfoques convencionales de la biología del desarrollo, incluido el análisis y la manipulación de la expresión génica y la microscopía de lapso de tiempo en vivo de los movimientos celulares en eldesarrollo de embriones de pollo, con métodos de ingeniería, como modelado matemático y mediciones de fuerza y deformación.
Se centraron en una parte de la internalización del endodermo: el intestino posterior, que da lugar a la mitad del intestino delgado, el intestino grueso y el colon. Lo que antes se sabía de la formación de tubos intestinales provino de experimentos de mapeo del destino, en el que las células están marcadastemprano en el desarrollo y luego mapeado donde las células etiquetadas terminan más tarde en el desarrollo. Este análisis estático, que utiliza imágenes estáticas del comienzo y el final del proceso para hacer una suposición educada de lo que sucede en el medio, ha llevado a unvista de la formación del tubo intestinal que está presente en la mayoría de los libros de texto de embriología. "Según nuestros hallazgos recientes, esta visión es, en el mejor de los casos, incompleta y, en el peor, completamente incorrecta", dice Nerurkar.
A diferencia de los estudios de mapeo del destino anteriores, Nerurkar y sus colegas utilizaron imágenes en vivo en el embrión para observar directamente los movimientos celulares a medida que el endodermo se internaliza para formar un tubo. Luego aplicaron una combinación de enfoques de ingeniería mecánica y biología del desarrollo para comprender cómoesos movimientos celulares ocurren y cómo se coordinan los movimientos para formar esta estructura crítica en el embrión temprano.
El equipo descubrió que los movimientos se coordinan mediante la conversión de un gradiente molecular en un gradiente de fuerza de las células que se contraen en proporción a la cantidad de una señal molecular factor de crecimiento de fibroblastos FGF que perciben.da como resultado un tira y afloja entre las células del endodermo: cuando un "equipo" comienza a ganar, las células realmente reclutan jugadores del equipo contrario al arrastrarlos de concentraciones bajas a altas de FGF.
Las irregularidades en la función de FGF pueden conducir a una serie de defectos de desarrollo. "Durante el desarrollo humano, los errores en la formación del tubo intestinal probablemente conduzcan a un aborto espontáneo, algo que es un riesgo relativamente alto durante el primer trimestre, cuando este proceso está ocurriendo".dice Nerurkar.
Si bien este estudio se centró en solo una parte de la internalización del endodermo, el intestino posterior, aún se desconoce cómo el intestino anterior, que forma la tráquea, los pulmones, el esófago, el estómago y el hígado, y el intestino medio, que forma el páncreas y el intestino delgado, Nerurkar planea usar su nuevo enfoque para estudiar estas otras áreas del desarrollo embrionario e investigar si y cómo la señalización de FGF actúa de manera más amplia para controlar la mecánica en el desarrollo de otros tejidos y órganos.
"Quiero aprender más sobre cómo se integran la mecánica y las moléculas para coordinar la formación de estos tejidos muy distintos por mecanismos dispares, pero del mismo grupo inicial de células madre", dice. "Al centrarse en el nivel de tejidoGracias a la mecánica posterior a la señalización de FGF, ahora podremos comprender qué hace esta importante vía para dar forma a otros órganos y tejidos durante el desarrollo, incluidos el corazón, el cerebro y la columna vertebral ".
Nerurkar continúa esta investigación en Columbia Engineering, desarrollando relaciones cuantitativas de mecánica molecular que podrían usarse para diseñar y construir tejidos de reemplazo en el laboratorio, utilizando la entrega controlada de estas señales difusibles, las señales de instrucción que son secretadas por las células y luegoflotar hacia las células vecinas para instruir la autoorganización de las células en tejidos y órganos funcionales. Si él y otros en este campo pueden establecer los principios de diseño de la formación de tejido embrionario, será posible reutilizar esos mismos principios para la medicina regenerativa yaplicaciones de ingeniería de tejidos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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