2020年4月27日

大自然揭示了建立肺部的方法不止一种

尼尔森(Nelson)对哺乳动物肺部发育的研究表明,平滑肌细胞可塑造最早的气道分支的生长。气道上皮细胞(洋红色)的分支形态发生由气道平滑肌(绿色)的模式分化引导。实验上增强平滑肌的分化会限制上皮的分支(右图),而抑制平滑肌的分化会导致上皮细胞的扩张和屈曲。图片来源:Katie Goodwin

我们的身体是隐藏树木的家园,这些树木是复杂的分支结构,对包括肺,肾和胰腺在内的器官功能至关重要。

Celeste Nelson探索了开发过程中分支模式的出现方式。她的研究将生物学与工程和计算模型相结合,其最终目标是在体外构建功能组织。

化学和生物工程学教授纳尔逊说:“这些分支架构无处不在。” “在肺中,它们对于确保有足够的表面积将氧气从呼吸中转移到血液中非常重要,”而在乳腺或唾液腺等器官中,“这是一种充满空间的任务:制造足够的牛奶产生足够的唾液。”

尼尔森的大部分工作都集中在使胚胎中的一团细胞长成新生肺中树状气道的力上。为了了解不同的物理过程如何实现相似的结果,她的小组不仅研究了人类发育模型的小鼠的肺部发育,还研究了鸟类和爬行动物的肺部发育。

尼尔森的实验室花费了数年的时间发现了小鼠肺部发育的细节,发现来自平滑肌细胞的物理信号引导细胞在发育中的气道内衬分裂成两个分支,这一过程发生了数百万次,形成每个功能良好的新生肺。研究生凯蒂·古德温(Katie Goodwin)领导的最新研究表明,平滑肌细胞也会影响最早的气道分支的生长,这种气道的形成是当芽开始在主分支的一侧开始生长时(相对于分支的末端分裂)。二)。

相反,爬行动物的肺是较简单的囊,缺少精细的分支模式。在发育中的胚胎中 形成一个六边形的网状结构,包裹着正在生长的肺部,收缩和挤压上皮 形成成熟器官的褶皱。尼尔森与机械和航空工程助理教授AndrejKošmrlj和分子生物学助理教授Jared Toettcher合作,获得了普林斯顿大学埃里克(Eric)和温迪·施密特(Wendy Schmidt)转化技术基金的支持,以开发用于人造的3D打印技术基于爬行动物知识的器官 发展。

“我们能否超越传统的模型系统而学到的东西(学习各种物种如何构建其肺部)来提出在人体外部构造三维结构的新方法?”纳尔逊问。 “我们将看到一种可收缩组织的想法能走多远,就像肌肉在另一组织上迫使其改变形状一样。”

由...提供 普林斯顿大学

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