Морфогенезата на чревната намотка Medicinesciences
ETH Цюрих, Катедра по материали, 8093 Цюрих, Швейцария
Червата е един от най-големите органи в човешкото тяло, но остава един от най-слабо проучените от биолозите [1]. Чревният тракт обаче представлява очарователна архитектура, ясно обусловена от неговата функция, която се осигурява от подреждане на вили и кривини, служещи за максимално увеличаване на повърхността на абсорбция на хранителни вещества. В статия, публикувана наскоро в списанието Природата [2], изследвахме морфогенезата на чревните бримки. Интердисциплинарен подход в биологията и физиката, както експериментален, така и теоретичен, ни позволи да покажем, че чревната навивка произхожда от тъканния баланс на еластичните сили. Последните се генерират от диференциалния растеж между чревната тръба и мезентериалната мембрана, която я свързва с корема.
Развитие на червата
Ембрионални черва от няколко вида. Отляво надясно червата на пилешкото, пъдпъдъците, пасица (зебра чинка) и мишката бяха разрязани по средата на органогенезата. И пилето, и пъдпъдъците са галиформи от едно и също семейство и много сходните аспекти на техните черва свидетелстват за тази класификация. Зебрата е пасивна форма, чийто чревен тракт е забележително различен от този на другите две птици. Мишката се използва тук като модел на бозайник. На тези изображения се вижда горната мезентериална артерия, която преминава през мезентерията, за да доставя кръв в червата. Може да се отреже за разгръщане на намотката, както е показано в Фигура 2, за да се разкрие периодичността на цикли (изображения, модифицирани от [2]).
Роля на диференциалния растеж
За да разберем органогенезата на червата, първо тествахме няколко хипотези, използвайки пилешки ембриони. На първо място, тази намотка може да идва от пространствените ограничения на коремната кухина. Успяхме обаче да изключим тази хипотеза, тъй като контурите остават непокътнати и идентични със структурата си. in ovo когато червата се изчистват от корема чрез дисекция. Втора хипотеза, заимствана от класически идеи от биологията на развитието, предполага нехомогенна клетъчна пролиферация в тръбата или в мезентерията, точно на местата, където червата се извива. С помощта на митотичен маркер обаче измерихме, че клетъчният растеж е еднакъв в тръбата, по нейната кранио-каудална ос, както и в нейните странични участъци. Митотично броене, извършено отделно в мезентерията, също разкрива еднаква клетъчна пролиферация. Следователно това наблюдение също дисквалифицира всеки възможен нехомогенен растеж на мезентерията, който подобно на кукловод би действал, за да принуди изкривяването на определени части на тръбата.
Изследвайки нашите измервания на пролиферацията, обаче установихме, че тръбата расте по-бързо от мезентерията. Това беше много ясно показано, когато отделихме мезентерията от червата по тръбата с дисекционни ножици: забелязахме, че мезентерията се прибира, намалявайки периметъра си с коефициент 2 или 3. Освен това наблюдаваме, че тръбата, след като е изолирана от мезентерията, отвива се сам и приема линейна конфигурация. Следователно тези тъкани показват еластичен отговор на деформации и поради различна скорост на растеж между чревния тракт и мезентериалната тъкан, към която е прикрепена, тръбата се компресира, докато мезентерията е под напрежение. Тези наблюдения предполагат, че силите, участващи в свиването на червата, действат на тъканно ниво.
Физически модел
След това създадохме реплика на композитната система тръба-мезентерия, използвайки тънък еластичен латекс и гъвкави силиконови тръби. Докато мембраната се държеше опъната до два пъти първоначалната й дължина, ние зашихме тръбата до нейния ръб. Докато освобождавахме напрежението, наблюдавахме спонтанно образуване на тръбни контури, разпределящи се равномерно по еластичната мембрана. Както е показано в Фигура 2, Външният вид на къдриците всъщност е много подобен на този, наблюдаван в ембрионалното пилешко черво. За да получим това изображение на червата, ние направихме дисекция на горната мезентериална артерия, без да премахваме останалата част от мезентерията, за да подчертаем забележителната периодичност в последователността на чревните бримки.
Различните етапи от моделирането на чревната навивка. Първото изображение е на пилешкото черво, от което е отделена горната мезентериална артерия. Тази техника, която запазва структурата на бримките (тъй като мезентерията не е отделена от тръбата), позволява да се подчертае периодичността на навиването. Всеки контур има радиус от порядъка на милиметър. В средата латексовата реплика (виж текста) има същите форми като червата, но в мащаби 100 пъти по-големи. Това съгласие разкрива съществената роля на еластичните сили в морфогенезата на червата. И накрая, численият модел (отдолу) ни позволи да установим физическата теория, която предсказва формата на къдриците (дисекция: A.E. Shyer; латексен модел: P. Florescu).
Количествена биофизика
След като идентифицирахме по този начин механичния контекст за формирането на намотката, ни помогна да разработим теоретичен модел и числена симулация, които предсказват геометрията на контурите. Численият метод вече беше използван, за да покаже как диференциалният растеж предизвиква видими вълни по краищата на листата на дърветата или цветните листенца [5, 6]. Благодарение на нашия модел тогава е достатъчно да се знаят еластичните и морфологични параметри на чревната тръба и на мезентерията (или на тръбата и на латексния лист), както и относителните им темпове на растеж (или първоначалното разтягане на лист латекс), за да се определи радиусът на бримките и броят им в червата.