Морфогенез кишкової спіралі Medicinesciences

ETH Цюріх, Департамент матеріалів, 8093 Цюрих, Швейцарія

Кишечник є одним з найбільших органів людського тіла, але залишається одним із найменш вивчених біологами [1]. Однак кишковий тракт має захоплюючу архітектуру, чітко обумовлену його функцією, яка забезпечується розташуванням ворсинок та кривизною, що служать для максимізації площі поверхні для поглинання поживних речовин. У статті, нещодавно опублікованій у журналі Природа [2], ми вивчали морфогенез кишкових петель. Міждисциплінарний підхід в біології та фізиці, як експериментальний, так і теоретичний, дозволив нам показати, що кишкова спіраль походить від балансу тканин пружних сил. Останні породжуються диференціальним ростом між кишковою трубкою та брижовою оболонкою, яка пов’язує її з черевцем.

Розвиток кишечника

Зародкові кишки декількох видів. Зліва направо кишки курей, перепелів, вороб’ят (зебра) та мишей розсікали посередині органогенезу. Курка та перепели - це галіліформи одного сімейства, і дуже схожі аспекти їх кишечника підтверджують цю класифікацію. Зебра-зяблик - пасивна форма, кишковий тракт якої надзвичайно відрізняється від такої у двох інших птахів. Миша тут використовується як модель ссавця. На цих знімках видно верхню брижову артерію, яка проходить через брижу для кровопостачання кишечника. Його можна обрізати для розгортання обмотки, як показано на Малюнок 2, з метою виявлення періодичності циклів (зображення, модифіковані з [2]).

Роль диференціального зростання

Для того, щоб зрозуміти органогенез кишечника, ми спочатку перевірили кілька гіпотез, використовуючи ембріони курчат. Перш за все, ця обмотка могла виходити із просторових обмежень черевної порожнини. Однак ми змогли виключити цю гіпотезу, оскільки петлі залишаються цілими і ідентичними своїй структурі. in ovo коли кишечник очищається від живота шляхом дисекції. Друга гіпотеза, запозичуючи класичні ідеї з біології розвитку, передбачає неоднорідну проліферацію клітин у трубі або в брижі, саме в тих місцях, де кишка викривляється. Однак завдяки мітотичному маркеру ми виміряли рівномірний ріст клітин у трубці, вздовж її черепно-каудальної осі, а також у бічних ділянках. Мітотичний підрахунок, проведений окремо в брижі, також виявив рівномірну проліферацію клітин. Отже, це спостереження також дискваліфікує будь-який можливий неоднорідний ріст брижі, який, подібно ляльководу, діятиме, щоб змусити викривити певні ділянки трубки.

Вивчивши наші виміри розповсюдження, ми виявили, що трубка росте швидше, ніж брижа. Це було дуже чітко продемонстровано, коли ми відділяли брижу від кишки вздовж трубки розсікаючими ножицями: ми помітили, що брижа втягується, зменшуючи свій периметр у 2 або 3 рази. Ми також спостерігали, що трубка, колись була ізольована від брижі, розмотується сам і приймає лінійну конфігурацію. Тому ці тканини виявляють еластичну реакцію на деформації, і через різну швидкість росту між кишковим трактом і брижовою тканиною, до якої він прикріплений, трубка стискається, коли брижа знаходиться під напругою. Ці спостереження дозволяють припустити, що сили, що беруть участь у кишковому згортанні, діють на тканинному рівні.

Фізична модель

Потім ми створили копію композитної системи трубка-брижа, використовуючи тонкий еластичний латексний лист та гнучкі силіконові трубки. Поки мембрану тримали розтягнутою до подвоєної початкової довжини, ми пришивали трубу до її краю. Коли ми зняли натяг, ми спостерігали спонтанне утворення петель НКТ, рівномірно розподіляючись по еластичній мембрані. Як показано в Малюнок 2, Зовнішній вигляд локонів насправді дуже схожий на той, що спостерігається в ембріональному курячому кишечнику. Щоб отримати це зображення кишечника, ми розібрали верхню брижову артерію, не видаляючи решту брижі, щоб виділити надзвичайну періодичність у послідовності кишкових петель.

Різні етапи моделювання кишкової спіралі. Перше зображення курячого кишечника, від якого відокремлена верхня брижова артерія. Цей прийом, який зберігає структуру петель (оскільки брижа не відокремлена від трубки), дозволяє підкреслити періодичність намотування. Кожна петля має радіус порядку міліметра. В середині латексна репліка (див. Текст) має ті самі форми, що і кишка, але в масштабах у 100 разів більша. Ця відповідність виявляє важливу роль пружних сил у морфогенезі кишечника. Нарешті, чисельна модель (внизу) дозволила нам встановити фізичну теорію, яка передбачає форму локонів (розтин: А. Е. Шиєр; латексна модель: П. Флореску).

Кількісна біофізика

Визначивши таким чином механічний контекст формування котушки, допоміг нам розробити теоретичну модель та чисельне моделювання, що передбачає геометрію петель. Чисельний метод вже був використаний, щоб показати, як різницевий ріст викликає пульсації, видимі на краях листя дерев або пелюсток квітів [5, 6]. Завдяки нашій моделі достатньо знати еластичні та морфологічні параметри кишкової трубки та брижі (або трубки та латексного листа), а також їх відносні темпи зростання (або початковий розтяг лист латексу), для визначення радіуса петель та їх кількості в кишечнику.

Для підтвердження наших прогнозів ми вимірювали параметри нашої моделі на біологічних тканинах курей на декількох етапах ембріонального розвитку. Зокрема, модулі пружності трубки та брижі можна було оцінити за допомогою нової техніки "магнітних затискачів", спеціально розробленої для цього типу біоматеріалу. Потім ми порівняли форму, розмір і кількість петель, передбачених нашою моделлю, з прямими вимірами на кишці ембріона курятини на різних етапах її розвитку. Ми виявили, що наша фізична модель справді дозволяє нам описати різні форми та розміри спіралі, прийняті кишечником під час його генезису.

Ми вже згадували, що кишечник може відрізнятися від виду до виду. На Фігура 1, кишкові трубки курки та перепелів схожі за формою на порівнянних стадіях розвитку, хоча і відрізняються за розмірами. Навпаки, кишка вороб’я набагато ущільнена порівняно невеликими петлями, незважаючи на те, що діаметр трубки подібний до діаметру трубки інших двох видів птахів. Нарешті, у мишей петлі кишечника більші, але дуже близько одна до одної. Ми повторили наші біофізичні виміри еластичних та морфологічних показників на тканинах кишечника цих трьох додаткових тварин. Потім ми порівняли моделювання, використовуючи ці параметри, з експериментальними спостереженнями трьох тварин, щоб нарешті показати, що наша фізична модель також пояснює різноманітність морфології кишечника між різними видами.

Outlook

З фізичної точки зору ми можемо відзначити, що описаний тут механізм особливо ефективний при обмеженні кишечника в черевній порожнині, забезпечуючи при цьому васкуляризацію трубки, що переноситься брижею. Але цей механізм також гарантує регулярну і безперервну обмотку, не згинаючи і не перекручуючи (і, отже, перешкоджаючи) трубці під час її зростання. Визначивши та зрозумівши цей механізм, ми можемо краще зрозуміти деякі вроджені аномалії, такі як недорозвинення кишечника, яке вражає майже кожну п’ять сотень новонароджених, або передбачити появу подібних патологій, таких як вульва. дорослі.

Наша модель кількісно показує, як зміна біофізичних параметрів, таких як відносна швидкість росту або еластичність тканин, може змінити форму кишкового тракту. Таким чином, фізичний підхід дозволяє виділити невелику кількість властивостей, на які природний відбір міг впливати, щоб орган еволюціонував через види. Дуже різні морфології кишечника дійсно можуть спостерігатися у інших видів, які не були розглянуті в нашому дослідженні. Наприклад у земноводних Ксенопус, трубка утворює надзвичайно правильну спіраль [7], і здається розумним думати, що фізичний механізм, описаний у нашому дослідженні, також застосовується в цьому випадку. Насправді нам залишається більш відкрито вивчати всі можливі морфології, до яких можуть призвести диференціальний ріст та інші механічні обмеження, підкреслені в нашому дослідженні.

Методологія, використана тут, явно натхнена методом, розробленим Д'Арсі Томпсоном, відомим біоматематиком початку 20 століття та автором видатного На ріст і форму [8]. Ця безпрецедентна книга ілюструє переважну роль механічних сил та математики у нашому розумінні морфогенезу живих організмів. Представлені ним методи, засновані на фізичних аналогіях та геометричних перетвореннях, суттєво контрастують з молекулярними та генетичними методами, поширеними в сучасних дослідженнях біології розвитку. Проте підхід Д’Арсі Томпсона є дуже своєчасним, і дуже ймовірно, що він відкриває двері для більш широкого розуміння морфогенезу інших органів. Потрібно докласти спільних зусиль для визначення як біофізичних властивостей, що контролюють морфогенез, так і молекулярної сигналізації, яка керує цими властивостями на клітинному рівні.

Конфлікт інтересів

Автор заявляє, що не має конфлікту інтересів щодо даних, опублікованих у цій статті.

Дякую

Автор дякує Жерому Флаковському, Анн-Руксандрі Карвуніс, Дафні Варламіс, Ромену Кошулю, Гійому Адельманту, Монік Савін та Мішелю Савіну за коментарі щодо цього рукопису.

Список літератури

Більш стійкий DYR. Залишився жоден орган: розповіді про розвиток і еволюцію кишечника. Наука 2005; 307: 1902–1904. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
Savin T, Kurpios NA, Shyer AE та ін. На ріст і форму кишечника. Природа 2011; 476: 57–62. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
Девіс Н.М., Курпіос Н.А., Sun X та ін. Хіральність обертання кишок походить від асиметричних змін ліворуч-праворуч у архітектурі спинної брижі. Dev Cell 2008; 15: 134–145. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
Курпіос Н.А., Ібаньєс М., Девіс Н.М. та ін. Напрямок петлі кишечника визначається змінами позаклітинного матриксу та адгезії клітина: клітина. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105: 8499–8506. [CrossRef] [Google Scholar]
Лянг Ч, Махадеван Л. Форма довгого листа. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 22049–22054. [CrossRef] [Google Scholar]
Лянг Х, Махадеван Л. Ріст, геометрія та механіка квітучої лілії. Proc Natl Acad Sci USA 2011; 108: 5516–5521. [CrossRef] [Google Scholar]
Schreiber AM, Cai L, Brown DD. Ремоделювання кишечника під час метаморфозу Xenopus laevis. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 3720–3725. [CrossRef] [Google Scholar]
Томпсон Д.В. На ріст і форму. Кембридж: Cambridge University Press, 1917; 794 с. [Google Scholar]

Список малюнків

Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.

Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.

Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.