In circa 48 ore, la singola cellula dell'uovo di rana fecondato subirà un cambiamento drammatico per sviluppare parti del corpo vitali come i muscoli, uno scheletro, occhi, un cuore, e una coda di girino. Gli scienziati hanno studiato questo processo per comprendere meglio lo sviluppo umano, difetti di nascita, e cancro e per far progredire tecnologie come la generazione di organoidi e la terapia di sostituzione cellulare. Gli scienziati possono interrompere lo sviluppo dell'embrione, mettilo in pausa, e accelerarlo; però, non possono spiegare esattamente come funziona lo sviluppo. Supportato dal National Institutes of Health (NIH), i bioingegneri dell'Università di Pittsburgh stanno cercando di capire cosa sta succedendo all'interno dell'uovo.

Il Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani del NIH ha assegnato a Lance Davidson, professore di bioingegneria alla Swanson School of Engineering di Pitt, $ 1, 327, 207 per il suo studio "Biomeccanica della morfogenesi". Dottor Davidson, che dirige il MechMorpho Lab presso l'Università di Pittsburgh, mira ad adottare un approccio da ingegnere strutturale alla biomeccanica dello sviluppo degli embrioni.

I ricercatori di Pitt stanno effettuando il reverse engineering dei processi meccanici che modellano il piano corporeo di base e lo sviluppo degli organi negli embrioni utilizzando test, tecniche, e strumenti più facilmente reperibili in un laboratorio di ingegneria meccanica che in un laboratorio di genetica molecolare.

"Se vedessi un ponte per la prima volta, come faresti a capire che ha funzionato?" chiede il dottor Davidson. "Un genetista potrebbe farla a pezzi e analizzare come funziona ogni pezzo, ma un ingegnere guarderebbe l'insieme, prendere misure di forza e movimento. Ci metterebbero più peso e vedrebbero quando si rompe. Stiamo applicando questi principi di analisi strutturale alla comprensione degli embrioni".

Nei laboratori circostanti, i ricercatori lavorano con i topi, moscerini della frutta, pesce zebra, e ratti. Nel laboratorio del dottor Davidson, c'è Xenopus, una rana originaria dell'Africa subsahariana. Le rane sono ideali per la ricerca del Dr. Davidson perché i loro embrioni e tessuti sono incredibilmente tolleranti alle condizioni di laboratorio e resilienti al "tocco" di un ingegnere. Anche dopo averli rimossi dai loro gusci protettivi, indurre difetti genetici, o iniettando traccianti proteici fluorescenti, queste rane non gracidano.

"Usiamo le rane perché puoi estrarre i tessuti molto facilmente, e continueranno a crescere correttamente, "Il dottor Davidson dice. "L'occhio o il cervello di una rana può essere isolato e continuerà a crescere in una capsula di Petri. Ciò non accadrà con un topo o un pesce. Quando lo strato esterno di un embrione non anfibio viene tagliato, l'embrione non manterrà la sua struttura. Gli embrioni di rana sono più simili a Play-doh, puoi tagliare e incollare i tessuti e rimodellarli, anche se Play-doh è ancora molto più rigido di questi embrioni."

Le uova di rana iniziano all'incirca delle dimensioni di una punta di matita. In un campo di studio abituato ad accogliere travi in ​​acciaio o misure in cemento armato, Il gruppo del Dr. Davidson deve essere creativo con gli strumenti che utilizza.

"Per eseguire la microchirurgia sugli embrioni di rana, usiamo un bisturi fatto di peli di sopracciglia umane e un anello per capelli fatto di peli di bambino, " dice il dottor Davidson. "Gli embrioni sono minuscoli, bagnato, e morbido; però, obbediscono ancora agli stessi principi di forma dell'acciaio o del legno."

"Un ingegnere civile o meccanico potrebbe eseguire regolarmente test applicando dieci milioni di pascal di stress, " continua. Dieci milioni di pascal sono circa la quantità di pressione dell'acqua che esce da un'idropulitrice, e un pascal indica quanta pressione esercita un singolo pezzo di carta su un tavolo. "Dobbiamo progettare strumenti speciali in grado di applicare e misurare lo stress tra 5 e 20 pascal. Non puoi semplicemente ordinare qualcosa come da Amazon, quindi improvvisiamo nel nostro laboratorio per progettare e fabbricare attrezzature personalizzate per le nostre esigenze."

Studiando la meccanica della morfogenesi, il processo di un embrione che cambia forma, il dott. Davidson spera di sviluppare uno strumento che fornisca ai bioingegneri una comprensione e un controllo molto maggiori sull'autoassemblaggio dei tessuti.

"Molti settori dell'ingegneria hanno una sorta di software o strumento di simulazione in grado di risolvere i loro progetti prima che inizino effettivamente a costruire. Stiamo sviluppando qualcosa di simile per gli ingegneri dei tessuti in modo che non debbano fare affidamento su tentativi ed errori tutto il tempo , " spiega il dottor Davidson.

Prove di scorrimento, mappe di deformazione, e la microaspirazione sono tutte tecniche ingegneristiche impiegate dal team del Dr. Davidson per comprendere i meccanismi alla base della morfogenesi. Queste rane potrebbero non trasformarsi in principi tanto presto, ma da una minuscola sfera di cellule, l'embrione può modellarsi in un girino strutturalmente complesso con organi funzionanti.

"Nel corso di uno studio, quasi per caso, abbiamo osservato due serie di uova, un set a partire da circa il doppio delle dimensioni dell'altro. Abbiamo visto gli embrioni svilupparsi fianco a fianco. A causa della differenza di dimensione iniziale, ci aspettavamo di vedere molte deformità strutturali o almeno che i girini uscissero due volte più grandi. Con nostra sorpresa molti degli embrioni del "grande uovo" sono sopravvissuti e i loro girini sono cresciuti fino alle stesse dimensioni dei girini del "piccolo uovo", riuscendo in qualche modo ad autocorreggersi mentre si sviluppavano, " dice il dottor Davidson.

In un momento in cui l'ingegneria dei tessuti sta diventando sempre più utile nelle terapie di medicina rigenerativa, Il Dr. Davidson stima che ci siano solo circa cinque o sei altri gruppi nel mondo che effettuano misurazioni delle proprietà materiali nel tessuto vivente di vertebrati come le rane. Basandosi sulla sua ricerca e combinandola con i risultati di uno studio finanziato dal NIH del 2016 "Controllo meccanico della transizione da mesenchimale a epiteliale, "Continuerà a dare corpo ai meccanismi della crescita dei tessuti.