Время

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 263 (2023) Цитировать эту статью

1200 доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Закрытие нервной трубки (NTC) — это сложный процесс эмбрионального развития, включающий молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы. Хотя генетические факторы и биохимическая передача сигналов широко исследованы, роль биомеханики тканей остается по большей части неисследованной из-за отсутствия инструментов. Здесь мы разработали оптический метод, который может проводить покадровую механическую визуализацию ткани нервной пластинки, когда эмбрион испытывает нейруляцию. Этот метод основан на сочетании конфокального микроскопа Бриллюэна и модифицированного культивирования куриных эмбрионов ex ovo в инкубаторе на сцене. С помощью этого метода мы впервые зафиксировали механическую эволюцию ткани нервной пластинки живых эмбрионов. В частности, мы наблюдали непрерывное увеличение модуля ткани нервной пластинки во время NTC для эмбрионов, культивированных ex ovo, что согласуется с данными культуры in ovo, а также с предыдущими исследованиями. Помимо этого, мы обнаружили, что увеличение модуля упругости ткани тесно связано с утолщением и изгибом ткани. Мы предвидим, что этот бесконтактный метод без этикеток откроет новые возможности для понимания биомеханических механизмов эмбрионального развития.

Закрытие нервной трубки (NTC) — это центральная процедура нейруляции позвоночных, при которой плоская нервная пластинка поднимается и сливается с образованием полой нервной трубки. Неудача этой процедуры может привести к серьезным дефектам нервной трубки, которые представляют собой один из наиболее распространенных врожденных дефектов у человека1. Генетические и молекулярные процессы, управляющие NTC, тщательно изучаются на протяжении многих десятилетий2,3,4. С другой стороны, биомеханические механизмы, которые могут быть вовлечены в NTC, в последние годы привлекают все большее внимание5,6,7. На уровне клеток и тканей морфогенез нервной трубки можно рассматривать как результат взаимодействия между генерируемой силой и механическим сопротивлением эмбриональной ткани8,9: для успешного закрытия нервной трубки необходимо, чтобы внутренняя сила могла преодолеть противоположное напряжение ткани, которое зависит от ее эластичных свойств. Таким образом, изменение биомеханики ткани может привести к нарушению закрытия и, следовательно, к порокам развития нервной трубки10. Хотя производство силы и механическое изменение ткани во время процедуры NTC наблюдалось в экспериментах10,11,12, количественный вклад специфических биомеханических процессов в обеспечение надежной нейруляции остается по большей части неизвестным. Одной из основных причин является отсутствие инструментов, которые могут отображать биомеханику ткани нервной пластинки in situ и в реальном времени во время развития эмбриона.

Для количественной оценки механических свойств эмбриональной ткани13 было разработано множество важных методов, которые можно приблизительно разделить на три категории: (1) контактные методы, включая атомно-силовую микроскопию (АСМ)14,15 или микрокантилеверы11,16,17 на основе отпечатков. для измерения кажущегося модуля Юнга в масштабе от нм до микрона, аспирации микропипеткой для измерения натяжения ткани в масштабе микрометра18 и испытания ткани на растяжение в масштабе ~ мм19. Хотя контактные методы могут обеспечить прямую количественную оценку вязкоупругих свойств ткани в квазистатических или низкочастотных условиях, они требуют физического доступа к образцу и приложения силы для деформации образца во время измерения. Поскольку ткань нервной трубки имеет неправильную форму в 3D и механически связана между собой, для однозначных механических испытаний обычно требуются изолированные эксплантаты. (2) Датчики на основе шариков/капель, включая оптический/магнитный пинцет20,21 и микрокапель22. Оптический/магнитный пинцет использует приводимые в движение жесткие шарики (диаметром ~ мкм) для определения реологических свойств локализованной ткани, а микрокапель использует деформируемые капли (диаметром 4–80 мкм) для количественной оценки напряжения ткани. Эти датчики могут количественно измерять механические свойства с субклеточным или клеточным разрешением после тщательной калибровки. Однако они требуют инъекции шариков или капель в ткань, что делает их инвазивными и с низкой производительностью. (3) Абляция/диссекция тканей. В этом методе используется либо сверхбыстрый импульсный лазерный луч10, либо лезвие23 для рассечения части ткани и оценки напряжения ткани на основе реакции релаксации. Это привлекательный метод из-за простой настройки. Однако из-за механического соединения эмбриональной ткани в 3D этот метод в основном обеспечивает глобальную оценку в относительно большом масштабе (размер от ~ 100 мкм до ~ мм). Подводя итог, можно сказать, что существующие методы позволяют количественно оценивать различные аспекты механических свойств клеток и тканей в различных пространственных и временных масштабах и значительно продвинули оценку биомеханики эмбриональных тканей. Однако из-за технических ограничений о механическом картировании ткани нервной пластинки in situ во время процедуры NTC на живых эмбрионах не сообщалось.