Nature子刊:测量器官发育

时间:2022年11月23日
来源:Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG)

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人体器官有复杂的充满液体的管道和回路网络。它们有不同的形状,它们的三维结构彼此之间的连接也不同,这取决于器官。在胚胎的发育过程中,器官从一组简单的细胞中发展出它们的形状和组织结构。由于缺乏概念和工具,了解器官发育过程中如何形成复杂的组织网络是具有挑战性的。器官发育的度量标准现已确定。

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人体器官有复杂的充满液体的管道和回路网络。它们有不同的形状,它们的三维结构彼此之间的连接也不同,这取决于器官。在胚胎的发育过程中,器官从一组简单的细胞中发展出它们的形状和组织结构。由于缺乏概念和工具,了解器官发育过程中如何形成复杂的组织网络是具有挑战性的。现在,来自德累斯顿的马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI- cbg)和复杂系统物理MPI (MPI- pks)以及维也纳分子病理学研究所(IMP)的科学家首次定义了器官发育的指标。在他们的研究中,国际研究团队提供了必要的工具,将类器官(微型器官)领域转化为一门工程学科,为人类发展开发模型系统。

在发育过程中,细胞的集体相互作用导致了生物体的形成。不同的器官具有不同的几何形状和不同连接的三维结构,这些结构决定了器官中充满液体的管和环的功能。肾脏的分支网络结构就是一个例子,它支持血液的高效过滤。在一个生命系统中观察胚胎的发育是困难的,这就是为什么很少有概念描述充满液体的管道和循环网络是如何发展的。虽然过去的研究已经表明,细胞力学是如何在有机体的发育过程中诱导局部形状的变化的,但还不清楚组织的连通性是如何出现的。通过结合成像和理论,研究人员Keisuke Ishihara首先在MPI-CBG和MPI-PKS的Jan Brugues团队中开始研究这个问题。他后来在IMP的Elly Tanaka小组继续他的工作。Keisuke和他的同事Arghyadip Mukherjee一起,使用了来自小鼠胚胎干细胞的类器官,形成了一个复杂的上皮细胞网络,它连接器官并起到屏障的作用。“我还记得那个激动人心的时刻,当时我发现一些类器官已经转化为具有多个芽的组织,看起来像一串葡萄。然而,在开发过程中描述三维结构的变化被证明是具有挑战性的,”Keisuke回忆道,并补充道,“我发现这个器官系统产生了惊人的内部结构,有许多循环或通道,就像一个有洞的玩具球。”

研究类器官组织的发育有几个优点:它们可以用先进的显微镜方法观察,从而有可能看到组织内部深处的动态变化。它们可以大量产生,并且可以控制环境以影响发展。研究人员能够研究上皮细胞的形状、数量和连通性。他们追踪了类器官内部结构随时间的变化。Keisuke继续说:“我们发现组织连通性来自两个不同的过程:要么是两个独立的上皮细胞融合,要么是单个上皮细胞通过融合其两端自我融合,从而创建一个甜甜圈形状的环。”研究人员提出,基于上皮表面理论,上皮的不灵活性是控制上皮融合的关键参数,进而发展组织连通性。

该研究的主管Jan Brugues, Frank Jülicher和Elly Tanaka总结道:“我们希望我们的发现将引导对复杂组织结构和器官发育中形状和网络连接之间的相互作用的新观点。我们的实验和分析框架将帮助类器官群体描述和设计模仿人体器官的自组织组织。通过揭示细胞因素如何影响器官发育,这些结果可能也对对组织原理感兴趣的发育细胞生物学家有用。”

Journal Reference:

  1. Ishihara, K., Mukherjee, A., Gromberg, E. et al. Topological morphogenesis of neuroepithelial organoids. Nat. Phys., 2022 DOI: 10.1038/s41567-022-01822-6

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