Morfogeneza bobinei intestinale Medicinescențe
ETH Zürich, Departamentul de materiale, 8093 Zürich, Elveția
Intestinul este unul dintre cele mai mari organe din corpul uman, dar rămâne unul dintre cele mai puțin studiate de biologi [1]. Cu toate acestea, tractul intestinal prezintă o arhitectură fascinantă, clar condiționată de funcția sa, care este asigurată de un aranjament de vilozități și curburi care servesc la maximizarea suprafeței pentru absorbția nutrienților. Într-un articol publicat recent în jurnal Natură [2], am studiat morfogeneza anselor intestinale. O abordare interdisciplinară în biologie și fizică, atât experimentală, cât și teoretică, ne-a permis să arătăm că înfășurarea intestinală provine dintr-un echilibru tisular de forțe elastice. Acestea din urmă sunt generate de creșterea diferențială dintre tubul intestinal și membrana mezenterică care îl leagă de abdomen.
Dezvoltarea intestinului
Intestinele embrionare ale mai multor specii. De la stânga la dreapta, intestinele de pui, prepelițe, passerine (cinteză zebră) și șoarece au fost disecate la jumătatea organogenezei. Puiul și prepelițele sunt ambele galiforme ale aceleiași familii, iar aspectele foarte similare ale intestinelor lor atestă această clasificare. Finch zebră este un passerifform al cărui tract intestinal este deosebit de diferit de cel al celorlalte două păsări. Șoarecele este folosit aici ca model al unui mamifer. Artera mezenterică superioară, care trece prin mezenter pentru a furniza sânge intestinului, este vizibilă în aceste imagini. Poate fi tăiat pentru a desfășura înfășurarea, așa cum se arată în Figura 2, pentru a dezvălui periodicitatea buclelor (imagini modificate din [2]).
Rolul creșterii diferențiale
Pentru a înțelege organogeneza intestinului, am testat mai întâi mai multe ipoteze folosind embrioni de pui. În primul rând, această înfășurare ar putea proveni din constrângerile spațiale ale cavității abdominale. Cu toate acestea, am putut exclude această ipoteză, deoarece buclele rămân intacte și identice cu structura lor. in ovo când intestinul este degajat din abdomen prin disecție. O a doua ipoteză, împrumutată din ideile clasice din biologia dezvoltării, presupune proliferarea neomogenă a celulelor în tub sau în mezenter, chiar în locurile în care se curbează intestinul. Cu toate acestea, datorită unui marker mitotic, am măsurat că creșterea celulelor este uniformă în tub, de-a lungul axei sale cranio-caudale, precum și în secțiunile sale laterale. Un număr mitotic efectuat separat în mezenter a arătat, de asemenea, o proliferare uniformă a celulelor. Prin urmare, această observație descalifică orice posibilă creștere neomogenă a mezenterului care, la fel ca un păpușar, ar acționa pentru a forța curbura unor porțiuni specifice ale tubului.
Totuși, examinând măsurătorile noastre de proliferare, am constatat că tubul crește mai repede decât mezenterul. Acest lucru s-a arătat foarte clar când am separat mezenterul de intestin de-a lungul tubului cu foarfece de disecție: am observat că mezenterul se retrage, micșorându-și perimetrul cu un factor de 2 sau 3. Am observat în continuare că tubul, odată izolat de mezenter, se desfășoară de la sine și adoptă o configurație liniară. Prin urmare, aceste țesuturi prezintă un răspuns elastic la deformări și, din cauza unei rate de creștere diferite între tractul intestinal și țesutul mezenteric de care este atașat, tubul este comprimat în timp ce mezenterul este sub tensiune. Aceste observații sugerează că forțele implicate în înfășurarea intestinală acționează la nivel tisular.
Model fizic
Apoi am creat o replică a sistemului compozit tub-mezenter folosind o foaie subțire din latex elastic și tuburi flexibile din silicon. În timp ce membrana a fost menținută întinsă la dublul lungimii inițiale, am cusut conducta până la marginea ei. Pe măsură ce am eliberat tensiunea, am observat formarea spontană a buclelor de tuburi distribuindu-se uniform pe membrana elastică. După cum se arată în Figura 2, Aspectul buclelor este de fapt foarte asemănător cu cel observat în intestinul embrionar de pui. Pentru a obține această imagine a intestinului, am disecat artera mezenterică superioară, fără a elimina restul mezenterului, pentru a evidenția periodicitatea remarcabilă în secvența anselor intestinale.
Diferitele etape ale modelării înfășurării intestinale. Prima imagine este a intestinului de pui, de care a fost separată artera mezenterică superioară. Această tehnică, care păstrează structura buclelor (deoarece mezenterul nu a fost separat de tub) permite sublinierea periodicității înfășurării. Fiecare buclă are o rază de ordinul unui milimetru. La mijloc, replica din latex (vezi text) are aceleași forme ca și intestinul, dar la scări de 100 de ori mai mari. Această concordanță relevă rolul esențial al forțelor elastice în morfogeneza intestinului. În cele din urmă, modelul numeric (de jos) ne-a permis să stabilim teoria fizică care prezice forma buclelor (disecție: A.E. Shyer; model din latex: P. Florescu).
Biofizică cantitativă
Identificarea contextului mecanic pentru formarea bobinei ne-a ajutat să dezvoltăm un model teoretic și o simulare numerică care prezic geometria buclelor. Metoda numerică a fost deja exploatată pentru a arăta cum creșterea diferențială induce undele vizibile pe marginile frunzelor de copac sau ale petalelor de flori [5, 6]. Datorită modelului nostru, este apoi suficient să cunoaștem parametrii elastici și morfologici ai tubului intestinal și ai mezenterului (sau ai tubului și ai foii de latex), precum și ratele lor de creștere relative (sau întinderea inițială a foaie de latex), pentru a determina raza buclelor și numărul lor în intestin.