De ontwikkeling van longblaasjes in organoïden afgeleid van borstklierweefsel volgt dezelfde fysieke principes als de vorming van discrete druppeltjes in een waterstraal.

Veel van de orgaansystemen die bij dieren worden aangetroffen, vertonen zeer complexe structuren, die essentieel zijn voor hun verschillende functies. Hoe dergelijke structuren zich ontwikkelen tijdens de embryonale ontwikkeling is een centrale vraag in de biologie. Natuurkundigen onder leiding van Erwin Frey (hoogleraar statistische en biologische fysica aan de LMU München) en Andreas Bausch (hoogleraar cellulaire biofysica aan de Technische Universiteit van München) onderzochten dit fundamentele probleem met behulp van mini-organen die organoïden worden genoemd als hun experimentele systeem. Het team richtte zich op de bolvormige 'alveoli' waarin de kanalen van de melkgevende borstklier eindigen. De studie toonde in detail aan dat deze longblaasjes zich volgens dezelfde principes vormen als druppeltjes in een waterstraal die uit een slang komt.

Het experimentele werk werd uitgevoerd in het laboratorium van Bausch en gebruikte borstklierorganoïden die in kweek waren gekweekt uit uitgesneden menselijk weefsel. Organoïden zijn driedimensionale modelsystemen die veel van de fysiologisch relevante eigenschappen vertonen van het orgaan waaruit ze zijn voortgekomen. Dus, borstklierorganoïden vormen kanalen die vertakken in clusters van kleinere buisachtige structuren, die elk eindigen in een bolvormige zak of alveolus. Deze architectuur is typerend voor de melkgevende menselijke borstklier, maar het wordt ook in veel andere organen aangetroffen, waaronder de long. Bausch en zijn groep slaagden er voor het eerst in om de groeidynamiek van de mini-organen gedurende meerdere dagen te volgen via time-lapse microscopie. In aanvulling, ze onderzochten de micromechanische respons van het zich ontwikkelende weefsel op de gelokaliseerde, laser-geïnduceerde ablatie van cellen.

Met behulp van deze strategie, de onderzoekers konden de vorming van de bolvormige longblaasjes koppelen aan een verandering in de bewegingsrichting van de cellen in het zich ontwikkelende weefsel. De cellen in elke tubulus zijn constant in beweging, trekken aan hun directe buren. Aanvankelijk, ze migreren gezamenlijk heen en weer langs de wanden van de tubuli. "Maar op een gegeven moment de cellen aan de uiteinden van de tubuli beginnen een roterende koers te volgen. Deze gedragsverandering, geassocieerd met de interacties tussen naburige cellen, plant zich vervolgens naar achteren voort totdat alle cellen nabij de punt van een tak als een collectief beginnen te roteren, " zegt Andriy Goychuk, een lid van de onderzoeksgroep van Erwin Frey en mede-eerste auteur van de publicatie. Zijn collega's Pablo Fernandez en Benedikt Buchmann in de groep van Andreas Bausch, die de ablatie-experimenten heeft uitgevoerd, leg als volgt uit wat er gebeurt. "De cellen oefenen niet langer dezelfde kracht uit in alle richtingen, wat resulteert in een verandering in hun trajecten. Terwijl de cellen die afwisselend voorwaarts en achterwaarts bewegen meer kracht uitoefenen in de richting van de as van de buis dan rond de omtrek, dat is niet meer het geval voor de cellen die een rotatieverloop volgen. Dankzij de grotere trekspanning langs de omtrek, de punt van elke buis ontwikkelt zich tot een bolvormig uitsteeksel."

Volgens de auteurs, de wijze van vorming van de bolvormige uitsteeksels is analoog aan het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de vorming van druppels in een waterstraal. Net als de cellen in de zich ontwikkelende organoïde, het oppervlak van de waterstraal staat onder spanning. Alle objecten die aan een trekkracht worden blootgesteld, proberen hun oppervlak te minimaliseren. Omdat het oppervlak van een bol kleiner is dan dat van een cilinder, de waterstraal valt uiteen in afzonderlijke druppeltjes - en in het borstklierweefsel, de rotatie van de leidende cellen verandert het krachtenevenwicht in de buisvormige takken zodanig dat ze instabiel worden, zoals in het geval van de waterstraal, en bolvormige uitsteeksels vormen. "Dit theoretische model biedt een belangrijk raamwerk voor de analyse van meer gecompliceerde geometrische transformaties in biologische weefsels, zoals die optreden tijdens de ontwikkeling van de speekselklieren, de alvleesklier, de nier en de long, ' zegt Frey.