Lo sviluppo degli alveoli negli organoidi derivati ​​dal tessuto mammario segue gli stessi principi fisici della formazione di goccioline discrete in un getto d'acqua.

Molti dei sistemi di organi trovati negli animali presentano strutture altamente complesse, essenziali per le loro varie funzioni. Il modo in cui tali strutture si sviluppano durante lo sviluppo embrionale è una questione centrale in biologia. I fisici guidati da Erwin Frey (professore di fisica statistica e biologica alla LMU di Monaco) e Andreas Bausch (professore di biofisica cellulare presso l'Università tecnica di Monaco) hanno studiato questo problema fondamentale utilizzando mini-organi chiamati organoidi come sistema sperimentale. Il team si è concentrato sugli "alveoli" sferici in cui terminano i dotti della ghiandola mammaria che allatta. Lo studio ha dimostrato in dettaglio che questi alveoli si formano secondo gli stessi principi delle goccioline in un getto d'acqua che fuoriesce da un tubo.

Il lavoro sperimentale è stato condotto nel laboratorio di Bausch e ha utilizzato organoidi della ghiandola mammaria coltivati ​​in coltura da tessuto umano asportato. Gli organoidi sono sistemi modello tridimensionali che mostrano molte delle proprietà fisiologicamente rilevanti dell'organo da cui hanno avuto origine. Così, organoidi della ghiandola mammaria formano dotti che si ramificano in gruppi di strutture tubolari più piccole, ciascuno dei quali termina in un sacco sferico o alveolo. Questa architettura è tipica della ghiandola mammaria umana che allatta, ma si trova anche in molti altri organi compreso il polmone. Bausch e il suo gruppo sono riusciti per la prima volta a seguire la dinamica di crescita dei mini-organi per diversi giorni tramite microscopia time-lapse. Inoltre, hanno studiato la risposta micromeccanica del tessuto in via di sviluppo al localizzato, ablazione delle cellule indotta dal laser.

Utilizzando questa strategia, i ricercatori sono stati in grado di collegare la formazione degli alveoli sferici a un cambiamento nella direzione di movimento delle cellule nel tessuto in via di sviluppo. Le cellule di ciascun tubulo sono costantemente in movimento, tirando sui loro vicini immediati. All'inizio, migrano collettivamente avanti e indietro lungo le pareti dei tubuli. "Ma a un certo punto, le cellule all'estremità dei tubuli iniziano a seguire un andamento rotazionale. Questo cambiamento di comportamento, associati alle interazioni tra cellule vicine, poi si propaga posteriormente fino a quando tutte le cellule vicino alla punta di un ramo iniziano a ruotare come un collettivo, "dice Andriy Goychuk, membro del gruppo di ricerca di Erwin Frey e primo autore congiunto della pubblicazione. I suoi colleghi Pablo Fernandez e Benedikt Buchmann nel gruppo di Andreas Bausch, che ha eseguito gli esperimenti di ablazione, spiegare cosa succede come segue. "Le cellule non esercitano più la stessa forza in tutte le direzioni, che si traduce in un'alterazione delle loro traiettorie. Mentre le cellule che si alternano tra movimento in avanti e indietro esercitano più forza nella direzione dell'asse del tubo che attorno alla sua circonferenza, non è più così per le cellule che seguono un andamento rotazionale. Grazie alla maggiore sollecitazione di trazione lungo la circonferenza, la punta di ogni tubo si sviluppa in una sporgenza sferica."

Secondo gli autori, la modalità di formazione delle sporgenze sferiche è analoga al meccanismo che è responsabile della formazione delle gocce in un getto d'acqua. Come le cellule dell'organoide in via di sviluppo, la superficie del getto d'acqua è in tensione. Tutti gli oggetti soggetti a una forza di trazione cercano di minimizzare la loro superficie. Poiché la superficie di una sfera è inferiore a quella di un cilindro, il getto d'acqua si scompone in goccioline discrete e nel tessuto della ghiandola mammaria, la rotazione delle cellule principali altera l'equilibrio delle forze nei rami tubolari in modo tale che diventino instabili, come nel caso del getto d'acqua, e formare protuberanze sferiche. "Questo modello teorico fornisce un quadro importante per l'analisi delle trasformazioni geometriche più complicate nei tessuti biologici, come quelle che si verificano durante lo sviluppo delle ghiandole salivari, il pancreas, il rene e il polmone, "dice Frey.