Studie odhaluje roli mechanických sil v lidské gastrulace

Pouze dva týdny po oplodnění se začíná objevovat první známka formování 3 os lidského těla (hlava/ocas, ventrální/hřbetní a pravá/levá). V této fázi, známé jako gastrulace, se plochý a nevýrazný list buněk složí do živého plánu těla, letmé přeměny na osy a vrstvy, které určují, jak se bude každá tkáň vyvíjet. Tento nanejvýš důležitý okamžik však dlouho ležel mimo dosah vědy a nastal příliš brzy a hluboko v děloze, než aby bylo možné přímo studovat.

Nyní nová studie odhaluje, že tento klíčový krok v lidském vývoji je řízen přesnou souhrou mezi chemickými signály a fyzikálními silami. Publikováno v Cell Stem Cellčlánek představuje nástroj syntetického embrya na bázi světla, který umožňuje výzkumníkům aktivovat klíčové vývojové proteiny, o kterých je známo, že iniciují gastrulaci. Když tým použil světlo ke spuštění jednoho z těchto proteinů, BMP4, zjistil, že samotné chemické podněty nestačí – transformace začala pouze tehdy, když byly buňky také ve správných mechanických podmínkách. Výsledky odhalují zásadní vzájemnou závislost mezi tkáňovou mechanikou a molekulární signalizací a nabízejí věrnější model raného lidského vývoje a potenciální základ pro budoucí regenerační terapie a terapie plodnosti.

Nyní můžeme vytvářet sebeorganizaci a různé typy buněk, jen tím, že na ně posvítíme. To nám umožnilo učinit zásadní objev o úloze mechanických sil v embryonálním vývoji.“

Ali H. Brivanlou, vedoucí Laboratoře syntetické embryologie, Rockefeller University

Optogenetický pokrok vrhá nové světlo

Gastrulace začíná porušením symetrie. Jednotný list embryonálních buněk se organizuje do trojrozměrné osy od hlavy k ocasu – prostorového plánu, který určuje, kde se nakonec vytvoří hlava, páteř a končetiny. Brivanlou a jeho kolegové odhalují tajemství tohoto klíčového vývojového stádia po celá desetiletí s pomocí zvířecích modelů a laboratorních studií lidí. embryonální kmenové buňky. „Gastrulace nastává v děloze krátce po implantaci, takže ji nelze studovat bez použití lidských pluripotentních kmenových buněk, in vitro“ říká Riccardo De Santis, ředitel Human Pluripotent Stem Cell Resource Center v Rockefeller a spoluautor této studie spolu s teoretickým fyzikem Laurentem Jutrasem-Dubém. „Naším cílem bylo otevřít okno do momentu vývoje, který nelze jinak studovat. naživu.“

Předchozí práce prokázaly, že biochemické signální molekuly, jako je BMP4, ovlivňují chování buněk a tkání při regulaci embryonálního vývoje. Ale studie na žabích a kuřecích embryích naznačovaly, že to byla jen část příběhu. Zdá se, že mechanické napětí, geometrie tkání a různé fyzické síly také hrají roli při uvádění zvířecích embryí do vývoje. „Konečně přichází spousta dat a nyní je jasné, že role mechanické signalizace byla nedoceněna,“ říká De Santis.

De Santis vyvinul optogenetický nástroj, který týmu umožňuje zkoumat souhru mezi biochemickými signály a mechanickými silami v kontextu lidského vývoje. Tím, že zkonstruoval lidské embryonální kmenové buňky tak, aby reagovaly na světlo, umožnil jeho systém výzkumníkům aktivovat vývojové geny s mimořádnou přesností. Při vystavení specifické vlnové délce světla byly buňky navrženy tak, aby přepnuly ​​genetický spínač, který trvale zapne BMP4. Toto nastavení také vědcům umožnilo přesně zvolit, kdy a kde je signál aktivován ve shluku embryonálních buněk, což jim umožnilo poprvé otestovat, jak geometrie tkáně a mechanické napětí na jakémkoli fyzickém místě v embryu může ovlivnit vývoj.

Vzestup mechanických sil

Když tým použil tento systém založený na světle k aktivaci signalizace BMP4 v lidských kmenových buňkách, role mechanických sil se rychle vyjasnila. V kulturách, kde byl BMP4 spuštěn v neomezeném prostředí s nízkým napětím, se gastrulace nikdy plně nespojila. Samotný BMP4 stačil ke vzniku extraembryonálních buněčných typů, jako jsou ty, které tvoří amnion, ale vzorek nedokázal vytvořit mezoderm a endoderm, vrstvy, které pokračují ve stavbě tělesných orgánů. To prokázalo, že samotné morfogeny k dosažení gastrulace nestačí.

Ale když tým namířil své „dálkové ovládání“ na okraje uzavřených buněčných kolonií a na buňky zapuštěné v hydrogelech vyvolávajících napětí, začaly se tvořit chybějící vrstvy gastrulace. Další experimenty odhalily, jak mechanické napětí prostřednictvím YAP1 dolaďuje následné biochemické signální dráhy zprostředkované WNT a Nodal, které buňkám říkají, jaké typy tkání se mají stát. Předchozí studie vedená Senior Research Associate Francesco Piccolo ve spolupráci se zesnulým Jimem Hudspethem, vedoucím Rockefellerovy laboratoře senzorické neurovědy, prokázala, že jaderné hladiny mechanosensorického proteinu YAP1 hrají klíčovou roli v regulaci sebeorganizace v mikrovzorcích (Piccolo et al., 2022). Současná studie odhalila, že jaderný YAP1 působí jako molekulární brzda gastrulace, která brání tomu, aby tyto přeměny nastaly příliš brzy. Výsledky naznačují, že gastrulace může začít pouze tehdy, když molekulární signály a mechanické napětí vyrovnávají buňky, jak se zdá, musí být jak chemicky připravené, tak fyzikálně připravené.

„Na embryu bylo tolik krásné molekulární biologie, tolik neuvěřitelné práce na signalizaci. Ale my jsme jako obor zanedbali fyzikální síly,“ říká Brivanlou. „Nyní je jasné, že bez mechanických sil nemůžeme vytvářet buňky pro správný embryonální vývoj.“

Výsledky nejen demonstrují sílu optogenetických nástrojů a důležitost mechanických sil, ale také poskytují nový rámec pro pochopení toho, jak se lidská embrya organizují v nejranějších fázích. Jako doplněk experimentů vyvinul Laurent Jutras-Dubé matematický model, který funguje jako „digitální dvojče“ vyvíjejícího se embrya. Tato počítačová simulace ukazuje, jak se biochemické signály jako BMP4, WNT a NODAL pohybují tkáněmi a interagují s fyzikálními silami. Pomocí skutečných měření mechanického napětí může model předpovědět, jak signální vzorce a organizace tkání vedou ke specifickým buněčným vrstvám. Simulace úzce odpovídají tomu, co bylo pozorováno experimentálně, což ukazuje, že jak biochemické signály, tak mechanické napětí musí spolupracovat, aby se tato embryologická signalizační kaskáda sama zorganizovala. Tento integrovaný přístup poskytuje kvantitativní způsob, jak pochopit, jak se embryo během raného vývoje mění. Tato vylepšená syntetická embrya, postavená na platformě mikročipů, staví na přelomové práci z laboratoře Brivanlou, která v roce 2014 jako první ukázala, že lidské embryonální kmenové buňky pěstované na mikročipech se mohou samy organizovat do dvourozměrných „gastruloidů“, které napodobují rané vývojové vzorce.

Dále tým plánuje prozkoumat možnou existenci mechanického organizátoru – silového protějšku klasických signálních center, která formují rané embryo. Mají podezření, že kromě chemických podnětů musí embryo splňovat specifické fyzické podmínky, aby prošlo vývojovými milníky – stav, který autoři nazývají mechanická kompetence. „Existence mechanického organizéru je provokativní koncept, který by se mohl ukázat jako transformační,“ říká De Santis.

Kromě svého koncepčního dopadu nabízí optogenetické embryo s dálkovým ovládáním jedinečnou platformu pro experimentování, která umožňuje řízení vývojových podnětů řízené světlem v upravených mikroprostředích. Takové systémy by mohly posunout regenerativní medicínu a reprodukční zdraví, od zdokonalování terapií kmenovými buňkami, které se aktivují na požádání, až po objasnění toho, proč časná těhotenství někdy selhávají. „Naše práce se zaměřuje na základní biologii a základní vědu, ale důsledky jsou opravdu důležité z hlediska podpory plodnosti,“ říká De Santis. „Když zlepšíme naše chápání základních pravidel embryogeneze, můžeme tyto informace použít k tomu, abychom lidem poskytli ty nejlepší příležitosti pro budování budoucích rodin.“

Již toto dílo nabízí nebývalý pohled na to, kde jsme všichni začali. „Někdy se vědci ztratí v nástrojích, čipech a světlech a zapomínáme, že tento druh výzkumu je výjimečný,“ říká Brivanlou. „Když se podívám na gastrulace, mám pocit, že se dívám do zrcadla, které odráží mou vlastní minulost. Je to víc než jen věda. Je to příležitost podívat se na to, odkud jsme všichni přišli – na tu magickou fázi vývoje, která z nás dělá to, čím jsme.“