In ongeveer 48 uur, de enkele cel van het bevruchte kikkerei zal een dramatische verandering ondergaan om vitale lichaamsdelen zoals spieren te ontwikkelen, een skelet, ogen, een hart, en een kikkervisje staart. Wetenschappers hebben dit proces bestudeerd om de menselijke ontwikkeling beter te begrijpen, aangeboren afwijkingen, en kanker en om technologieën zoals organoïde generatie en celvervangingstherapie vooruit te helpen. Wetenschappers kunnen embryo-ontwikkeling verstoren, pauzeer het, en versnellen; echter, ze kunnen niet precies uitleggen hoe ontwikkeling werkt. Ondersteund door de National Institutes of Health (NIH), bio-ingenieurs van de Universiteit van Pittsburgh proberen te begrijpen wat er in het ei gebeurt.

Het NIH Department of Health and Human Services heeft Lance Davidson toegekend, hoogleraar bio-engineering aan Pitt's Swanson School of Engineering, $1, 327, 207 voor zijn studie "Biomechanica of Morphogenesis." Dr. Davidson, die het MechMorpho Lab aan de Universiteit van Pittsburgh leidt, heeft tot doel een structurele ingenieursbenadering te volgen van de biomechanica van het ontwikkelen van embryo's.

De Pitt-onderzoekers reverse-engineeren de mechanische processen die het basislichaamsplan en de orgaanontwikkeling in embryo's vormen met behulp van tests, technieken, en gereedschappen die eerder in een werktuigbouwkundig laboratorium te vinden zijn dan in een laboratorium voor moleculaire genetica.

"Als je voor het eerst een brug ziet, hoe zou je erachter komen dat het werkte?" Vraagt ​​Dr. Davidson. "Een geneticus zou het in stukken kunnen blazen en analyseren hoe elk stuk werkt, maar een ingenieur zou naar het ensemble kijken, het meten van kracht en beweging. Ze zouden er meer gewicht op leggen en kijken wanneer het breekt. We passen deze principes voor structurele analyse toe om embryo's te begrijpen."

In de omliggende laboratoria onderzoekers werken met muizen, fruitvliegjes, zebravis, en ratten. In het laboratorium van Dr. Davidson, er is Xenopus - een kikker afkomstig uit Afrika bezuiden de Sahara. Kikkers zijn bij uitstek geschikt voor het onderzoek van Dr. Davidson omdat hun embryo's en weefsels ongelooflijk tolerant zijn voor laboratoriumomstandigheden en bestand zijn tegen de 'aanraking' van een ingenieur. Zelfs nadat ze uit hun beschermende omhulsel zijn gehaald, genetische defecten veroorzaken, of het injecteren van fluorescerende eiwittracers, deze kikkers zullen niet kwaken.

"We gebruiken kikkers omdat je heel gemakkelijk weefsels kunt extraheren, en ze zullen correct blijven groeien, Dr. Davidson zegt. "Het oog of de hersenen van een kikker kunnen geïsoleerd worden en zullen in een petrischaaltje blijven groeien. Dat gebeurt niet met een muis of vis. Wanneer de buitenste laag van een niet-amfibisch embryo wordt doorgesneden, het embryo behoudt zijn structuur niet. Kikkerembryo's lijken meer op Play-doh, je kunt tissues knippen en plakken en ze opnieuw vormgeven, hoewel Play-doh nog steeds veel stijver is dan deze embryo's."

De kikkereieren beginnen ongeveer zo groot als een potloodpunt. In een studiegebied dat gewend is aan het opnemen van stalen balken of metingen van gewapend beton, De groep van Dr. Davidson moet creatief zijn met de tools die ze gebruiken.

"Om microchirurgie uit te voeren op de kikkerembryo's, we gebruiken een scalpel gemaakt van menselijk wenkbrauwhaar en een haarlus gemaakt van babyhaar, " zegt Dr. Davidson. "De embryo's zijn klein, nat, en zacht; echter, ze gehoorzamen nog steeds aan dezelfde vormprincipes van staal of hout."

"Een civiel of werktuigbouwkundig ingenieur zou regelmatig tests kunnen uitvoeren met tien miljoen pascal stress, " gaat hij verder. Tien miljoen pascal is ongeveer de hoeveelheid waterdruk die uit een hogedrukreiniger komt, en één pascal gaat over hoeveel druk een enkel stuk papier uitoefent op een tafelblad. "We moeten speciale tools ontwerpen die zowel spanning tussen de vijf en twintig pascal kunnen toepassen als meten. Je kunt niet zomaar iets bestellen bij Amazon, dus improviseren we in ons lab om aangepaste apparatuur voor onze behoeften te ontwerpen en te fabriceren."

Door de mechanica van morfogenese te bestuderen - het proces waarbij een embryo van vorm verandert - heeft Dr. Davidson hoopt een tool te ontwikkelen die bio-ingenieurs een veel beter begrip en controle geeft over de zelfassemblage van weefsel.

"Veel technische vakgebieden hebben een soort software of simulatietool waarmee ze hun ontwerpen kunnen raden voordat ze daadwerkelijk beginnen met bouwen. We ontwikkelen iets soortgelijks voor weefselingenieurs, zodat ze niet de hele tijd op vallen en opstaan ​​hoeven te vertrouwen , " legt dr. Davidson uit.

Kruiptesten, stamkaarten, en micro-aspiratie zijn allemaal technische technieken die door het team van Dr. Davidson worden gebruikt om de onderliggende mechanica van morfogenese te begrijpen. Deze kikkers zullen misschien niet snel in prinsen veranderen, maar uit een klein bolletje cellen, het embryo kan zichzelf vormen tot een structureel complex kikkervisje met werkende organen.

"Tijdens een studie, heel toevallig, we observeerden twee sets eieren, de ene set begint ongeveer twee keer zo groot als de andere. We zagen de embryo's zij aan zij ontwikkelen. Vanwege het aanvankelijke verschil in grootte, we verwachtten veel structurele misvormingen te zien of in ieder geval dat de kikkervisjes twee keer zo groot zouden uitkomen. Tot onze verbazing overleefden veel van de 'grote ei'-embryo's en hun kikkervisjes groeiden tot dezelfde grootte als de 'kleine ei'-kikkervisjes, op de een of andere manier erin slagen zichzelf te corrigeren terwijl ze zich ontwikkelden, " zegt Dr. Davidson.

In een tijd waarin weefselmanipulatie steeds nuttiger wordt in therapieën voor regeneratieve geneeskunde, Dr. Davidson schat dat er slechts ongeveer vijf of zes andere groepen in de wereld zijn die materiële eigenschappen meten in het levende weefsel van gewervelde dieren zoals kikkers. Voortbouwend op zijn onderzoek en dit te combineren met de resultaten van een door de NIH gefinancierd onderzoek uit 2016 "Mechanical Control of Mesenchymal-to-Epithelial Transition, " hij zal doorgaan met het uitwerken van de mechanica van groeiend weefsel.