Группа ученых из Лондонского университета успешно создала датчики механической силы непосредственно в развивающемся головном и спинном мозге куриных эмбрионов, что, как они надеются, улучшит понимание и профилактику врожденных пороков развития, таких как расщепление позвоночника.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials и проведенное в сотрудничестве с Университетом Падуи и Институтом молекулярной медицины Венето (VIMM), использует инновационные биотехнологии для измерения механических сил, оказываемых эмбрионом в процессе его развития.

Эти силы имеют решающее значение в формировании органов и анатомических систем, например, в формировании нервной трубки, дающей начало центральной нервной системе.

Врожденные пороки развития спинного мозга ежегодно встречаются примерно у одного из 2000 новорожденных в Европе.

Хотя эти пороки развития изучаются уже несколько десятилетий, их невозможно полностью объяснить только с помощью молекулярных и генетических исследований .

В результате исследователи теперь изучают физические и механические силы в тканях во время развития эмбриона. Однако это может быть сложным, поскольку эмбриональный спинной мозг крошечный — слишком мал, чтобы увидеть его невооруженным глазом — и чрезвычайно нежный. Поэтому устройства для измерения силы должны быть такими же маленькими и мягкими, чтобы не нарушать нормальный рост.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи напечатали на 3D-принтере крошечные датчики силы (шириной около 0,1 мм) непосредственно внутри развивающейся нервной системы куриных эмбрионов.

Эти датчики силы начинаются как жидкость, которая наносится непосредственно на развивающиеся эмбрионы. Под воздействием сильного лазера жидкость превращается в твердое тело, похожее на пружину. Это твердое тело прикрепляется к растущему спинному мозгу эмбрионов и деформируется под действием механических сил, создаваемых клетками эмбриона.

Это позволило им измерить мельчайшие силы — примерно одну десятую веса человеческой ресницы, — которые эмбрионы должны генерировать для формирования спинного мозга.

Датчики силы пружины \»V\». Кредит: Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01942-9
Для нормального эмбрионального развития эти силы должны быть больше противодействующих отрицательных сил.

Количественная оценка сил позволит исследователям изучить препараты, способные в достаточной степени увеличить положительные силы или уменьшить отрицательные, чтобы помочь предотвратить врожденные пороки развития , такие как расщелина позвоночника.

Подобные препараты также могут дополнять преимущества приема фолиевой кислоты — хорошо зарекомендовавшей себя стратегии профилактики проблем развития до и во время беременности.

Ведущий автор, научный сотрудник Марии Скловдовской-Кюри, доктор Эйрини Маниу (Институт детского здоровья на Грейт-Ормонд-стрит в Калифорнийском университете в Лондоне и Падуанский университет), отметила: «Благодаря использованию новых биоматериалов и передовой микроскопии это исследование обещает кардинальные перемены в области эмбриональной механики и закладывает основу для единого понимания развития».

«Наша работа прокладывает путь к выявлению новых профилактических и терапевтических стратегий при пороках развития центральной нервной системы».

Исследовательская группа также продемонстрировала, что эту же технологию можно применить к стволовым клеткам человека, поскольку они развиваются в клетки спинного мозга.

В будущем это позволит сравнивать стволовые клетки здоровых доноров и пациентов с расщелиной позвоночника с целью понять, почему у некоторых людей развивается это заболевание.

Соавтор исследования, доктор Габриэль Галеа (Институт детского здоровья на Грейт-Ормонд-стрит, Лондонский университет), сказал: «Эта технология очень универсальна и широко применима во многих областях исследований, и мы надеемся, что она будет быстро принята и применена другими группами для решения фундаментальных вопросов».

Соавтор, профессор Никола Элвассоре (Университет Падуи и VIMM), добавил: «Это открытие не только позволяет нам лучше понять механические силы , действующие в ходе эмбрионального развития, но и открывает новые перспективы для вмешательства и профилактики таких состояний, как spina bifida» .

«Возможность количественной оценки эмбриональных сил с такой точностью представляет собой значительный шаг вперед в биомедицинских исследованиях ».