Wetenschap
Studie wijst op cellulaire respons op druk in zeester-embryo's
Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuw cellulair mechanisme ontdekt dat verklaart hoe cellen zich kunnen aanpassen aan drukveranderingen tijdens weefselgroei door zichzelf in een unieke vorm te verpakken.
Onderzoekers van de Scripps Institution of Oceanography van UC San Diego, het Hopkins Marine Station van Stanford University en het Institute of Biomedicine in Sevilla (IBiS) in Spanje leidden het onderzoek, dat nieuw is vanwege het gebruik van zeesterembryo's als modelorganismen in deze context. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Development op 7 mei.
Het laboratoriumwerk werd uitgevoerd in het Scripps Oceanography's Centre for Marine Biotechnology and Biomedicine (CMBB) in het Lyons Lab, dat zich richt op het bevorderen van het veld van de evolutionaire ontwikkelingsbiologie met behulp van ongewervelde zeedieren. Het onderzoek valt op door het gebruik van mariene embryo's, met name het embryo van de zeester Patiria miniata, om te begrijpen hoe cellen omgaan met veranderingen in hun fysieke omgeving.
“Ons onderzoek toont aan dat cellen een ongebruikelijke geometrische vorm aannemen als reactie op druk. Het werpt licht op hoe cellen omgaan met veranderingen in hun fysieke omgeving, die dynamisch in elk weefsel plaatsvinden”, zegt hoofdauteur Vanessa Barone, die het werk uitvoerde terwijl een postdoctoraal onderzoeker bij Scripps Oceanography.
"Het is ook een fascinerend voorbeeld van hoe het bestuderen van een marien organisme kan leiden tot breed relevante kennis van de fundamentele celbiologie."
De auteurs zeggen dat de resultaten toekomstige implicaties kunnen hebben voor het begrijpen hoe gezonde cellen zich kunnen aanpassen aan de druk die wordt uitgeoefend door tumorcellen die ongecontroleerd groeien.
Hoewel de ongebruikelijke geometrische vorm van de cellen, een scutoïde, al eerder was beschreven, werd aangenomen dat deze vooral te wijten was aan de vorm van het weefsel waarin de cellen zijn ingebed. Scutoïden hebben een prisma-achtige vorm, met zes zijden aan de bovenkant en vijf zijden aan de onderkant.
Uit eerder onderzoek is gebleken dat wanneer het weefsel op een bepaalde manier gebogen is, zoals in buisjes of eivormige vormen, een deel van de cellen scutoïden zal worden, omdat dat de energetisch gunstige vorm is die in die situatie nodig is.
In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers een combinatie van live beeldvorming van de ontwikkeling van zeesterembryo's, gedetailleerde beeldanalyse en computationele modellering om aan te tonen dat cellen ook in andere, veel voorkomende omstandigheden scutoïden worden.
Ze ontdekten dat de cellen scutoïden werden nadat celdelingen plaatsvonden in compacte epitheelweefsels. Cellen zijn de bouwstenen van dieren. Tijdens de embryonale ontwikkeling delen deze cellen zich snel en nemen ze in aantal toe.
Epitheelcellen onderscheiden zich door hun sterke onderlinge verbindingen en hun vermogen om oppervlakken in het lichaam te bedekken. Deze cellen vormen lagen die een beschermende barrière creëren, waardoor externe oppervlakken worden gescheiden van interne holtes bij volwassen dieren. Bovendien vormt epitheelweefsel klieren en is het het overheersende weefsel in veel organen, zoals de lever en de nieren.
Naarmate het aantal van deze cellen toeneemt, moeten ze zich vaak aanpassen aan de beperkte ruimte, wat leidt tot weefselverdichting. Daarom moeten epitheelcellen zichzelf effectief organiseren, terwijl ze bestand zijn tegen de druk van naburige cellen die zich ook vermenigvuldigen. Deze studie toont aan dat de epitheelcellen waarschijnlijk in staat waren de nieuw gevormde cellen te huisvesten door een scutoïde vorm aan te nemen.
"Door naar de embryo's van zeesterren te kijken, ontdekken we belangrijke nieuwe informatie over de celbiologie, met mogelijke verbanden met de menselijke gezondheid", zegt Deirdre Lyons, co-auteur van het onderzoek en marien bioloog bij Scripps Oceanography.
"Dit is de eerste studie die daadwerkelijk de epitheelcelpakking en celdeling laat zien terwijl het zeesterembryo zich ontwikkelt, vastgelegd in live films. Onze bevindingen hebben brede implicaties voor het begrijpen van de cellulaire structuur van deze weefsels."
Het zeester-embryo is ideaal om te begrijpen hoe cellen zich in een epitheellaag organiseren terwijl ze zich vermenigvuldigen. Dit komt doordat zeestercellen verschillende rondes van synchrone celdelingen ondergaan die leiden tot de vorming van een epitheellaag.
Bovendien ontwikkelen deze embryo’s zich in zeewater, zijn ze redelijk transparant en zijn ze goed in beeld te brengen met een hoge resolutie microscoop. Deze eigenschappen stelden de wetenschappers in staat elke individuele cel in de loop van de tijd te volgen, terwijl ze naar het gehele epitheelweefsel keken zoals het zich vormt.
"De juiste coördinatie tussen celgroei en organisatie is een zeer complex proces. Door het zeesterembryo als model te gebruiken, hebben we de vroege ontwikkelingsstadia dynamisch kunnen bestuderen", zegt Luis María Escudero, co-auteur van het onderzoek. en onderzoeker bij IBiS.
De onderzoekers van Scripps Oceanography hebben livebeelden in het laboratorium gemaakt waarop deze celprocessen te zien zijn. Het IBiS-team gebruikte vervolgens CartoCell, een nieuwe beeldanalysemethode die onlangs door de groep van Escudero werd gepubliceerd, om de beelden verder te analyseren. CartoCell is een op deep learning gebaseerde softwaretool die snelle en automatische verwerking van driedimensionale beelden mogelijk maakt, zoals die van timelapses van embryo's van zeesterren.
"We zien dat onmiddellijk na de celdeling de kans dat een cel de scutoïde vorm aanneemt aanzienlijk toeneemt", zegt Escudero. "Daarom concluderen we dat de toename van de celdichtheid veroorzaakt door proliferatie verband houdt met de vormverandering. Deze vormverandering treedt waarschijnlijk op omdat cellen beter bestand zijn tegen compressie als ze scutoïden zijn."
Door aan te tonen hoe cellen zich in weefsels organiseren als reactie op stress, zou dit onderzoek de deur kunnen openen voor toekomstige toepassingen op het gebied van kankeronderzoek.
"Onze studie zou kunnen helpen bij het begrijpen van de veranderingen die optreden in weefsels die samengedrukt zijn, hetzij als gevolg van normale processen of ziektegerelateerde situaties", zegt Barone, die nu assistent-professor is aan Stanford University.
Naast Barone, Escudero en Lyons bestond het onderzoeksteam uit co-eerste auteur Antonio Tagua van IBiS, evenals co-auteurs Jesus Á. Andrés-San Román en Juan Garrido-García van IBiS, en Amro Hamdoun van Scripps Oceanography.