A medida que se desarrollan los embriones, los tejidos fluyen y se reorganizan dramáticamente en escalas de tiempo tan breves como minutos. Esta reorganización incluye tejidos epiteliales que cubren las superficies externas y los revestimientos internos de los órganos y vasos sanguíneos. A medida que el embrión se desarrolla, estos tejidos a menudo se estrechan a lo largo de un eje y se extiendena lo largo de un eje perpendicular a través del movimiento celular causado por fuerzas externas o internas que actúan de manera diferente a lo largo de varias direcciones en el tejido anisotropías. Los investigadores se han preguntado durante mucho tiempo cómo los grupos simples de células dentro de los embriones en desarrollo se transforman en tejidos y órganos: cómo cambian físicamente los tejidosen el embrión? ¿Pueden pasar de "sólidos" a "fluidos" en momentos específicos del desarrollo para que sea más fácil esculpir rápidamente tejidos y órganos funcionales?
Actualmente, no es posible observar y medir lo que sucede en los tejidos dentro del embrión humano, y aún es muy difícil hacerlo en modelos de mamíferos como los ratones. Debido a que los humanos y la mosca de la fruta Drosophila comparten tantas similitudes biológicas, investigadores de Columbia Engineeringy la Universidad de Syracuse decidieron abordar este problema enfocándose en las moscas de la fruta. En un artículo publicado en línea el 29 de mayo en PNAS , el equipo informa que pueden predecir cuándo el tejido comenzará a fluir rápidamente con solo mirar las formas de las células en el tejido.
"Gracias al trabajo teórico anterior de nuestros colegas de Syracuse, pensamos que podríamos aprender algo sobre si los tejidos embrionarios son sólidos o fluidos simplemente mirando las formas de las células en el tejido", dice el IP principal del estudioKaren Kasza, profesora asistente de ingeniería mecánica de Clare Boothe Luce. "Así que decidimos probar esto sobre la marcha. Estamos realmente entusiasmados con nuestros resultados, que podrían revelar mecanismos fundamentales que subyacen en el desarrollo humano y señalar dónde las cosas pueden salir mal, causandodefectos de nacimiento."
El desafío era cómo aplicar enfoques de ingeniería tradicionales para medir las propiedades mecánicas de las células y los tejidos dentro de los pequeños embriones de las moscas para ver qué tejidos se comportan como sólidos, manteniendo su forma y resistencia al flujo, y qué tejidos se comportan como fluidos, fluyendo fácilmentey cambiando de forma. Los investigadores utilizaron imágenes de fluorescencia confocal de alta resolución para tomar películas de desarrollo embrionario en las que podían ver con gran detalle la forma y los empaques de las células en los tejidos dentro del embrión de mosca. Se enfocaron en un evento de desarrollo muy rápido.en el que el tejido embrionario cambia rápidamente de forma para alargar el eje del cuerpo de la cabeza a la cola de la mosca algo que también ocurre en la mayoría de los embriones de animales.
Al combinar estudios experimentales en el embrión de la mosca de la fruta en Columbia con enfoques de modelado teórico en Syracuse, los investigadores demostraron que las formas y la alineación de las células dentro de los tejidos pueden ayudar a explicar y predecir cómo los tejidos cambian de forma durante el desarrollo y cómo los defectos en estoslos procesos pueden dar lugar a anomalías en la forma del embrión. "Fue una colaboración fantástica entre el experimento y la teoría", observa Kasza.
Agrega Lisa Manning, coautora del estudio y William R. Kenan, Jr. Profesor de Física en Syracuse, "Desde el punto de vista teórico, realmente no estaba claro qué mecanismos colectivos permiten que las células se reorganicen fácilmente durante el alargamiento del tejido. ConEl grupo del profesor Kasza, que tiene algunas de las mejores herramientas del mundo para estudiar las propiedades mecánicas del tejido de la mosca de la fruta, pudimos determinar con precisión cómo los cambios en las formas de las células generan cambios en la mecánica de los tejidos. Es sorprendente que ahora podamos simplementemire una instantánea de las formas de las células en la mosca de la fruta y prediga cómo se moverán las células, sin parámetros de ajuste ".
Una sorpresa para los investigadores fue que podían anticipar cuándo comenzaría a fluir el tejido al observar las formas de las células en el tejido sin ningún parámetro ajustable en el modelo teórico. Pero, a diferencia de los estudios y predicciones anteriores, tenían que incluir un nuevoparámetro - anisotropía - que describía la alineación de las células dentro del tejido debido a que las fuerzas que actúan sobre el tejido eran altamente anisotrópicas o variaban en diferentes direcciones en el tejido. Lo que encontraron particularmente interesante fue que sus hallazgos sugieren que el tejido embrionarioparece volverse más fluido justo antes del inicio del flujo rápido de tejido durante el alargamiento del eje del cuerpo.
"Esto es realmente emocionante", dice Kasza, "porque sugiere que las propiedades mecánicas de las células podrían regularse biológicamente durante el desarrollo embrionario, es decir, en las instrucciones genéticas codificadas en el ADN, para facilitar que los tejidos cambien de forma dramáticamente durantebreves períodos de tiempo durante el desarrollo. Esto se suma a un creciente cuerpo de investigación que revela que la mecánica es realmente crucial para comprender la vida ".
El equipo ahora está analizando cómo se codifican genéticamente las instrucciones para los cambios en la fluidez del tejido. También están explorando las propiedades mecánicas de los tejidos para construir modelos cuantitativos de morfogénesis del tejido que les permitirán predecir, diseñar, construir y controlar el tejidoforma y movimientos tisulares, tanto en embriones en desarrollo como en tejidos diseñados en el laboratorio.
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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