Oamenii de știință fac sâni într-un vas pentru a studia lactația

Toate mamiferele au glandele mamare care produc lapteo caracteristică care i-a fascinat pe oamenii de știință de mulți ani. Întrebări precum de ce au evoluat glandele mamare în primul rând, cum s-au adaptat la diferite specii și ce presiuni evolutive unice le-au modelat dezvoltarea rămân în mare parte fără răspuns.

Pentru a investiga modul în care diferitele specii au dezvoltat soluții unice la provocările biologice, echipa mea la Laboratorul Rauner de Tufts University School of Medicine este recreând diversitatea mamiferelor într-un fel de mâncare prin versiuni miniaturale ale glandelor mamare — organoide. Aceste modele pot face lumină asupra procese biologice fundamentale în spatele producției de lapte, regenerării țesuturilor și stadiilor incipiente ale dezvoltării cancerului de sân.

Ce sunt organoizii?

Organoizii sunt structuri miniaturale, 3D crescut într-un vas de cultură celulară care imită structura și funcția organelor reale. Aceste modele sunt realizate prin ghidarea celulelor stem, care au capacitatea unică de a se diferenția în diferite tipuri de celule, pentru a forma tipuri specifice de celule de organ.

Deși nu sunt replici exacte în miniatură ale organelor de dimensiune completă, organoizii conțin suficiente celule și arhitectură tisulară pentru a recrea mediul și funcțiile cheie ale organului pe care îl modelează. De exemplu, a organoid al glandei mamare sau un organoid al țesutului mamar sunt compuse din canale minuscule alungite care se termină într-o structură sferică, mimând canalele de lapte și alveolele țesutului glandei.

Înrudit: Ar putea mini-organele crescute în spațiu să fie „luna noastră canceroasă”?

Organoizii oferă un instrument puternic pentru cercetarea biomedicală, deoarece oferă o reprezentare 3D a structurii și funcției unui organ. Spre deosebire de culturile tradiționale de celule 2D, organoizii pot imita complexitatea țesuturilor reale, inclusiv arhitectura lor și diverse tipuri de celule. Acest lucru le permite cercetătorilor să studieze procese biologice complexe, cum ar fi dezvoltarea țesuturilor, regenerarea și progresia bolii, într-un mediu controlat, reducând în același timp dependența de modelele animale.

Diversitatea mamiferelor într-un fel de mâncare

Cercetători au în mod tradițional folosiți organoizi să modeleze bolile umane, să testeze medicamente și să studieze biologia dezvoltării. Cu toate acestea, potențialul lor se extinde cu mult dincolo de aceste aplicații, în special în domeniul biologie evolutivă.

Cercetarea mea se concentrează pe generarea de organoizi glandei mamare dintr-o varietate de specii de mamifere. Mamiferele sunt incredibil de diverse, fiecare specie fiind adaptată la o gamă largă de medii și stiluri de viață. Glanda mamară, esențială pentru hrănirea urmașilor, prezintă variații semnificative între specii.

De exemplu, monotreme precum ornitorincul și echidna aparțin unei clase unice și străvechi de mamifere. Monotremele s-au separat de alte grupuri de mamifere în urmă cu aproximativ 190 de milioane de ani și se disting prin metodele lor de reproducere: depunerea ouălor în loc să nască viu. Glandele lor mamare sunt semnificativ diferite de cele ale mamiferelor eutheriene, cum ar fi vacile și oamenii care au mameloane; monotremele secretă în schimb lapte prin firele de păr mamare specializate.

Oamenii de știință cred că diferitele presiuni ale mediului și strategiile de reproducere au determinat evoluţia diverselor forme de lactaţie. Cu toate acestea, mecanismele exacte și căile evolutive sunt încă în mare parte necunoscute. Comparând organoizii din aceste specii diverse, cercetătorii pot face lumină asupra modului în care aceste structuri antice au evoluat și s-au adaptat de-a lungul a milioane de ani pentru a satisface nevoile de reproducere ale diferitelor animale.

Perspective dincolo de glanda mamară

Studierea proprietăților unice ale glandei mamare poate, de asemenea, să arunce lumină asupra altor domenii ale biologiei și medicinei.

De exemplu, glanda mamară este capabilă regenerează cu fiecare ciclu de reproducere și lactație. Asta îl face excelent model pentru studiul regenerării tisulare. Cu organoizi, cercetătorii pot observa procesul de regenerare în timp real și investigați modul în care diferite specii au evoluat pentru a menține această capacitate de regenerare. Înțelegerea mecanismelor din spatele regenerării ar putea duce la progrese în domeniul medicina regenerativaun domeniu care se concentrează pe repararea sau înlocuirea țesuturilor și organelor deteriorate în condiții precum boli de inimă, diabet și leziuni.

Organoizii mamari pot ajuta, de asemenea cancer de san cercetare. Studierea organoidelor mamare din specii care rareori dezvoltă tumori mamarecum ar fi vacile și porcii, ar putea descoperi posibile mecanisme de protecție și să informeze noi strategii pentru prevenirea și tratamentul cancerului de sân la oameni. Organoizii oferă, de asemenea, o platformă pentru a studia evenimentele timpurii ale formării tumorii și mediul celular care contribuie la dezvoltarea cancerului.

Organoizii permit, de asemenea, oamenilor de știință să studieze inițierea, durata și încetarea lactației la diferite specii. Procesul de lactație variază foarte mult între mamifereinfluențată de factori precum modificările hormonale și condițiile de mediu. Unele mamifere au forme unice de lactație. De exemplu, marsupiale cum ar fi Tammar wallaby poate produce două tipuri de lapte simultan pentru a satisface nevoile nutriționale ale urmașilor în diferite stadii de dezvoltare, fenomen cunoscut sub numele de lactație concomitentă asincronă. În plus, cel focă de blană poate menține lactația în ciuda perioadelor prelungite fără alăptare.

Studierea diferitelor tipuri de lactație prin organoizi mamari poate oferi perspective mai profunde asupra modului în care este reglementată lactația, dezvăluind adaptări evolutive care ar putea clarifica biologia lactației umane și ar putea îmbunătăți strategiile de producție de lapte pentru animale în agricultură.

Potențialul tehnologiei organoide

Organoizii oferă mai multe avantaje față de modelele animale tradiționale. În primul rând, ele oferă un mediu controlat pentru a studia procese biologice complexe și le permit oamenilor de știință să efectueze mai multe teste simultan, creșterea eficienței cercetării.

Ele reduc, de asemenea, preocupările etice asociate cu cercetarea pe animale. Organoizii pot fi generați de la animale care sunt nu este disponibil pentru cercetare în directcum ar fi speciile rare sau pe cale de dispariție.

Mai mult, organoizii pot fi modificați genetic pentru a investiga gene și căi specifice, oferind perspective mai profunde asupra mecanismelor moleculare care stau la baza biologiei glandelor mamare.

În timp ce organoizii sunt un instrument puternic, ele sunt nu fără limitări. Ele nu pot replica pe deplin complexitatea țesuturilor vii, iar constatările din studiile organoide trebuie validate la subiecții vii. În ciuda acestor obstacole, progresele în tehnologia organoizilor continuă să depășească limitele a ceea ce este posibil, oferind noi oportunități de a explora diversitatea și evoluția mamiferelor.

Recreând diversitatea țesuturilor de mamifere într-un fel de mâncare, cercetătorii pot obține informații importante asupra modului în care diferite specii au evoluat pentru a rezolva provocările biologice, cu potențialul de a aduce beneficii sănătății umane, agriculturii și științei nutriției.

Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.

Celulele stem adulte rezidente în țesut sunt sursa dezvoltării, regenerării și întreținerii organelor și țesuturilor. În multe țesuturi, ele sunt, de asemenea, suspectate ca celule canceroase de origine, atât datorită duratei de viață lungi, cât și a capacităților lor de auto-reînnoire și regenerare. Ca atare, celulele stem adulte sunt o legătură care leagă biologia strâns legată de dezvoltare și tumorigeneză. Devine din ce în ce mai clar că stemness este o stare celulară, mai degrabă decât o identitate finală a celulei. Celulele își schimbă starea ca parte a dezvoltării normale și a progresiei și invaziei oncogene. Mecanismele de reglementare care controlează schimbările în starea celulei controlează, de asemenea, dezvoltarea și cancerul și par să implice toate nivelurile de reglare: de la căile genetice, epigenetice și epi-transcriptomice până la post-transcripție, post-traducere și căile clasice de semnalizare celulară. Sunt interesat să înțeleg mecanismele de reglare care controlează celulele stem adulte în contexte de dezvoltare și cancer, în special în stadiile incipiente ale tumorigenezei, când programul de dezvoltare deviază spre transformarea celulelor.