Hoofd- en gezichtsafwijkingen herstellen zichzelf

Een rapport in het meinummer van het tijdschrift Ontwikkelingsdynamiek onthult dat biologen van de Tufts University voor het eerst een "zelfcorrigerend" mechanisme hebben ontdekt waarmee ontwikkelaars hoofd- en gezichtsafwijkingen herkennen en herstellen.
Dit is de eerste keer dat dit soort flexibel, correctief proces rigoureus wordt geanalyseerd door wiskundige modellering.
Het onderzoek toont aan dat ontwikkelende organismen niet genetisch "hard-wired" zijn, maar dat het proces in plaats daarvan flexibeler en robuuster is. Door een kikkervis-model te gebruiken met een reeks van vooraf bepaalde celbewegingen die resulteren in normale gelaatstrekken, hebben ze aangetoond dat celgroepen hun vorm en positie kunnen meten in relatie tot andere organen, en dat ze de vereiste bewegingen en hermodelleringsfuncties kunnen uitvoeren om om te compenseren voor belangrijke afwijkingen in patronen.
Senior onderzoeker, Michael Levin, Ph.D., directeur van het Centrum voor Regeneratieve en Ontwikkelingsbiologie in de School of Arts and Sciences van de Tufts University, lichtte toe:

"Een grote vraag is altijd geweest, hoe hebben complexe vormen zoals het gezicht of het hele embryo zichzelf samengebracht? We hebben ontdekt dat wanneer we afwijkingen in het gezicht experimenteel hebben gemaakt, gezichtsstructuren op verschillende manieren rondgaan en meestal in hun juiste Dit suggereert dat wat het genoom uiteindelijk codeert een set dynamisch, flexibel gedrag is waardoor de cellen aanpassingen kunnen maken om specifieke complexe structuren te bouwen.Als we zouden kunnen leren hoe we bio-ingenieur systemen kunnen maken die betrouwbaar zelf-geassembleerde en gerepareerde afwijkingen van de gewenste doelvorm, regeneratieve geneeskunde, robotica en zelfs ruimteverkenning zouden worden getransformeerd. "

Eerder onderzoek had zelfcorrigerende mechanismen in andere embryonale processen ontdekt, maar nooit in het aangezicht. Deze mechanismen waren niet wiskundig geanalyseerd om een ??licht te werpen op de precieze dynamiek van het corrigerende proces.
Toonaangevende onderzoeker, Laura Vandenberg, Ph.D., een postdoctorale medewerker bij het Centrum voor Regeneratieve en Ontwikkelingsbiologie, zei:

"Wat ontbrak in eerdere studies - en waarvan we weten dat het nog nooit in een diermodel is gedaan - was om die veranderingen in de loop van de tijd nauwkeurig te volgen en kwantitatief te vergelijken."

Een dergelijke analyse is essentieel om inzicht te krijgen in welke informatie wordt gegenereerd en gemanipuleerd, zodat een complexe structuur zichzelf kan herschikken en repareren.
Het team van biologen maakte één zijde van de embryo's abnormaal door specifieke mRNA in één cel te injecteren in het ontwikkelingsstadium met twee cellen, dat craniofaciale defecten in Xenopus-kikkerembryo's veroorzaakte.

Vervolgens karakteriseerden ze veranderingen van de craniofaciale structuren in termen van hun vorm en positie, inclusief kaken, ogen, zijbogen, otische capsules en reukputten door een 'geometrische morfometrische analyse' uit te voeren die de positie van 32 oriëntatiepunten op de boven- en onderkant van kikkervisjes meet. kanten.
Door op gezette tijden beelden van kikkervisjes te nemen, merkten de onderzoekers op dat de craniofaciale afwijkingen (verstoringen), met name in de kaken en de vertakkingsbogen, minder duidelijk werden naarmate de kikkervisjes ouder werden. Ze merkten ook op dat het oog- en neusweefsel van de kikkervisjes in de loop van de tijd normaler werden, hoewel ze wel verschilden in het bereiken van een volledig verwachte vorm en positie.
In elk babydier is het een normaal onderdeel van de ontwikkeling dat gelaatstrekken veranderen in termen van vorm en positie. Naarmate het dier ouder wordt, zijn hun gezichten langwerpig en groeien hun ogen, neus en kaken ten opzichte van elkaar, ook al is de beweging over het algemeen tamelijk marginaal.
Het team merkte echter op dat in kikkervisjes met ernstige misvormingen een belangrijke dramatische verschuiving plaatsvond in de gezichtsstructuren om die misvormingen te herstellen. Zij stelden dat het leek alsof het systeem afwijkingen van de normale toestand kon detecteren en corrigerende acties kon uitvoeren die normaal niet zouden plaatsvinden.

"We waren behoorlijk verbaasd om te zien dat lang voordat ze metamorfose ondergingen en kikkers werden, deze kikkervisjes normaal uitziende gezichten hadden. Stel je de implicaties voor van een dier met een ernstig 'geboorteafwijking' dat met de tijd alleen dat defect kan verhelpen. '

De biologen stellen dat de bevindingen consistent waren met een informatie-uitwisselingsproces waarbij een structuur zijn afstand en hoek trianguleert vanaf een stabiel referentiepunt. Ze zeggen dat hoewel verdere studies nodig zijn, ze stellen voor het uitwisselen van 'pings', d.w.z. signalen die informatie bevatten tussen een 'organiserend centrum' zoals de hersenen en het neurale netwerk en individuele craniofaciale structuren.
De onderzoekers benadrukken het feit dat geboorteafwijkingen, zoals gespleten lippen, gespleten gehemelte en microfitness meer dan 1 op de 600 geboorten beïnvloeden. Nieuwe benaderingen voor het corrigeren van deze geboorteafwijkingen die behoren tot de categorie van congenitale misvormingen van craniofaciale structuren zouden mogelijk bij de mens gecorrigeerd kunnen worden door verdere studies op moleculair niveau uit te voeren, wat meer licht zou werpen op de "face-fixing" -dynamiek.
Levin concludeerde:

"Een dergelijk begrip zou enorme gevolgen hebben, niet alleen voor het repareren van geboorteafwijkingen, maar ook voor andere gebieden van systeembiologie en complexiteitswetenschap. Het zou ons kunnen helpen om hybride biotechnologische systemen te bouwen, voor synthetische of regeneratieve biologie, of volledig kunstmatige robotsystemen die zichzelf kunnen repareren. na schade of herconfigureren van hun eigen structuur om aan veranderende behoeften in een complexe omgeving te voldoen. "

Geschreven door Petra Rattue