A béltekercs morfogenezise Medicinesciences
ETH Zürich, Anyagügyi Tanszék, 8093 Zürich, Svájc
A belek az emberi test egyik legnagyobb szerve, de a biológusok által a legkevésbé tanulmányozottak között marad [1]. A béltraktus azonban lenyűgöző architektúrát mutat, amelyet egyértelműen a funkciója szab meg, amelyet a tápanyagok felszívódási felületének maximalizálását szolgáló villák és görbületek elrendezése biztosít. A napokban megjelent cikkben Természet [2], tanulmányoztuk a bélhurkok morfogenetikáját. A biológia és a fizika interdiszciplináris megközelítése - mind kísérleti, mind elméleti - lehetővé tette számunkra, hogy megmutassuk, hogy a béltekercselés a rugalmas erők szöveti egyensúlyából ered. Ez utóbbit a bélcső és a hasüreghez kötő mesenterialis membrán közötti differenciális növekedés generálja.
A bél fejlődése
Több faj embrionális belei. Balról jobbra a csirke, a fürj, a passerine (zebra pinty) és az egér belét boncoltuk fel az organogenezis közepén. A csirke és a fürj egyaránt ugyanazon család galliformjai, és belük nagyon hasonló aspektusai igazolják ezt a besorolást. A zebra pinty olyan passzív alak, amelynek bélrendszere jelentősen eltér a másik két madárétól. Az egeret itt emlős modelljeként használják. Ezeken a képeken látható a felső mesenterialis artéria, amely áthalad a mesenteriumon a belek vérellátása érdekében. Vágható a tekercselés telepítéséhez, amint az a 2. ábra, a hurkok periodicitásának feltárása érdekében (képek módosítva: [2]).
A differenciális növekedés szerepe
A bél organogenezisének megértése érdekében először több hipotézist teszteltünk csirke embriók felhasználásával. Először is, ez a kanyargás a hasüreg térbeli korlátaiból származhat. Ezt a hipotézist azonban ki tudtuk zárni, mert a hurkok épek és azonosak a szerkezetükkel. ovóban amikor a belet boncolással megtisztítják a hasból. Egy második hipotézis, amely klasszikus gondolatokat kölcsönöz a fejlődésbiológiából, inhomogén sejtproliferációt feltételez a csőben vagy a mesenteriumban, éppen azon a helyen, ahol a bél kanyarodik. Mitotikus marker segítségével azonban megmértük, hogy a sejtnövekedés egyenletes a csőben, annak cranio-caudalis tengelye mentén, valamint oldalirányú szakaszain. A mesenteriumban külön elvégzett mitotikus számlálás szintén egyenletes sejtproliferációt mutatott ki. Ez a megfigyelés ezért kizárja a mesenterium esetleges inhomogén növekedését is, amely, mint egy bábjátékos, a cső meghatározott részeinek görbületét kényszerítené.
Proliferációs méréseink vizsgálatával azonban azt tapasztaltuk, hogy a cső gyorsabban nő, mint a mesenterium. Ez nagyon világosan megmutatkozott, amikor boncoló ollóval elválasztottuk a mesenteriumot a béltől a cső mentén: észrevettük, hogy a mesenterery visszahúzódik, kerülete 2 vagy 3-szorosára csökken. Megfigyeltük továbbá, hogy a cső, ha egyszer elszigetelődött a mesenteriumtól, magától kikapcsol és lineáris konfigurációt alkalmaz. Ezek a szövetek tehát rugalmas választ mutatnak a deformációkra, és a bélrendszer és a mesenterialis szövet közötti eltérő növekedési sebesség miatt a csövet összenyomják, miközben a mesenterery feszültség alatt áll. Ezek a megfigyelések azt sugallják, hogy a béltekercselésben résztvevő erők szöveti szinten hatnak.
Fizikai modell
Ezután készítettünk egy kompozit cső-mesenteriarendszer másolatát egy vékony elasztikus latex lap és rugalmas szilikon cső felhasználásával. Míg a membránt az eredeti hosszának kétszeresére feszítették, a csövet annak széléhez varrtuk. Amint oldjuk a feszültséget, megfigyeltük a csőhurkok spontán kialakulását, amelyek egyenletesen oszlanak el a rugalmas membránon. Amint az a 2. ábra, A fürtök megjelenése valójában nagyon hasonlít az embrionális csirkebélben láthatóhoz. Ennek a bélképnek a megszerzéséhez a felső mesenterialis artériát boncoltuk, anélkül, hogy eltávolítottuk volna a többi mesentériát, hogy kiemeljük a bélhurok szekvenciájának figyelemre méltó periodicitását.
A béltekercselés modellezésének különböző szakaszai. Az első kép a csirkebélről készült, amelytől elválasztották a felső mesenterialis artériát. Ez a technika, amely megőrzi a hurkok struktúráját (mivel a mesenteriumot nem választották el a csőtől), lehetővé teszi a tekercselés periodicitásának hangsúlyozását. Minden hurok sugara milliméter nagyságrendű. Középen a latex másolat (lásd a szöveget) ugyanolyan alakú, mint a belek, de 100-szor nagyobb méretben. Ez az egyezés feltárja a rugalmas erők alapvető szerepét a bél morfogenezisében. Végül a numerikus modell (alul) lehetővé tette számunkra a fizikai elmélet megalapozását, amely megjósolja a fürtök alakját (boncolás: A. E. Shyer; latex modell: P. Florescu).
Mennyiségi biofizika
Miután azonosítottuk a tekercs kialakulásának mechanikai kontextusát, segítettünk egy elméleti modell és egy numerikus szimuláció kidolgozásában, amelyek megjósolják a hurkok geometriáját. A numerikus módszert már alkalmazták annak bemutatására, hogy a differenciális növekedés hogyan váltja ki a látható hullámokat a falevelek vagy a virágszirmok szélén [5, 6]. Modellünknek köszönhetően elegendő megismerni a bélcső és a mesenterium (vagy a cső és a latexlap) rugalmas és morfológiai paramétereit, valamint azok relatív növekedési sebességét (vagy a latex lap), hogy meghatározzuk a hurkok sugarát és számukat a belekben.