En 48h environ, la cellule unique de l'œuf de grenouille fécondé subira des changements spectaculaires pour développer des parties vitales du corps comme les muscles, un squelette, les yeux, un cœur, et une queue de têtard. Les scientifiques ont étudié ce processus pour mieux comprendre le développement humain, malformations congénitales, et le cancer et pour faire progresser des technologies telles que la génération d'organoïdes et la thérapie de remplacement cellulaire. Les scientifiques peuvent perturber le développement de l'embryon, mettez-le en pause, et l'accélérer; cependant, ils ne peuvent pas expliquer exactement comment fonctionne le développement. Soutenu par les National Institutes of Health (NIH), des bio-ingénieurs de l'Université de Pittsburgh tentent de comprendre ce qui se passe à l'intérieur de l'œuf.

Le ministère de la Santé et des Services sociaux des NIH a décerné à Lance Davidson, professeur de bio-ingénierie à la Pitt's Swanson School of Engineering, 1 $, 327, 207 pour son étude "Biomechanics of Morphogenesis". Dr Davidson, qui dirige le MechMorpho Lab de l'Université de Pittsburgh, vise à adopter une approche d'ingénieur structurel de la biomécanique des embryons en développement.

Les chercheurs de Pitt procèdent à une rétro-ingénierie des processus mécaniques qui façonnent le plan corporel de base et le développement des organes chez les embryons à l'aide de tests, technique, et des outils plus susceptibles d'être trouvés dans un laboratoire de génie mécanique que dans un laboratoire de génétique moléculaire.

"Si tu voyais un pont pour la première fois, comment sauriez-vous que cela fonctionnait ?" demande le Dr Davidson. "Un généticien pourrait le réduire en morceaux et analyser le fonctionnement de chaque morceau mais un ingénieur regarderait l'ensemble, prendre des mesures de force et de mouvement. Ils mettraient plus de poids dessus et verraient quand ça casserait. Nous appliquons ces principes d'analyse structurelle à la compréhension des embryons."

Dans les laboratoires environnants, les chercheurs travaillent avec des souris, les mouches des fruits, poisson zèbre, et les rats. Dans le laboratoire du Dr Davidson, il y a Xenopus, une grenouille originaire d'Afrique subsaharienne. Les grenouilles conviennent parfaitement aux recherches du Dr Davidson, car leurs embryons et leurs tissus sont incroyablement tolérants aux conditions de laboratoire et résistants au « toucher » d'un ingénieur. Même après les avoir retirés de leurs coques de protection, induisant des défauts génétiques, ou l'injection de traceurs protéiques fluorescents, ces grenouilles ne coassent pas.

"Nous utilisons des grenouilles parce que vous pouvez extraire des tissus très facilement, et ils continueront à grandir correctement, " Dit le Dr Davidson. " L'œil ou le cerveau d'une grenouille peut être isolé et continuera à se développer dans une boîte de Pétri. Cela n'arrivera pas avec une souris ou un poisson. Lorsque la couche externe d'un embryon non amphibien est coupée, l'embryon ne conservera pas sa structure. Les embryons de grenouille ressemblent plus à du Play-doh, vous pouvez couper et coller des tissus et les remodeler, bien que Play-doh soit encore beaucoup plus rigide que ces embryons."

Les œufs de grenouille ont au départ la taille d'une pointe de crayon. Dans un domaine d'étude habitué à recevoir des mesures de poutres en acier ou de béton armé, Le groupe du Dr Davidson doit faire preuve de créativité avec les outils qu'il utilise.

"Pour effectuer une microchirurgie sur les embryons de grenouille, nous utilisons un scalpel en poils de sourcils humains et une boucle de cheveux en poils de bébé, " dit le Dr Davidson. " Les embryons sont minuscules, mouiller, et doux; cependant, ils obéissent toujours aux mêmes principes de forme de l'acier ou du bois."

"Un ingénieur civil ou mécanique peut effectuer régulièrement des tests appliquant dix millions de pascals de contrainte, " poursuit-il. Dix millions de pascals, c'est à peu près la pression d'eau qui sort d'un nettoyeur haute pression, et un pascal correspond à la pression exercée par un seul morceau de papier sur une table. "Nous devons concevoir des outils spéciaux qui peuvent à la fois appliquer et mesurer le stress entre cinq et 20 pascals. Vous ne pouvez pas simplement commander quelque chose comme chez Amazon, nous improvisons donc dans notre laboratoire pour concevoir et fabriquer des équipements sur mesure pour nos besoins."

En étudiant la mécanique de la morphogenèse, le processus de changement de forme d'un embryon, le Dr. Davidson espère développer un outil qui permettra aux bio-ingénieurs de mieux comprendre et contrôler l'auto-assemblage des tissus.

« De nombreux domaines de l'ingénierie disposent d'une sorte de logiciel ou d'outil de simulation qui peut deviner leurs conceptions avant de commencer réellement à construire. Nous développons quelque chose de similaire pour les ingénieurs tissulaires afin qu'ils n'aient pas à s'appuyer sur des essais et des erreurs tout le temps. , " explique le Dr Davidson.

Essais de fluage, cartes de contraintes, et la micro-aspiration sont toutes des techniques d'ingénierie employées par l'équipe du Dr Davidson pour comprendre les mécanismes sous-jacents de la morphogenèse. Ces grenouilles pourraient ne pas devenir des princes de sitôt, mais à partir d'une petite boule de cellules, l'embryon peut se transformer en un têtard structurellement complexe avec des organes fonctionnels.

« Au cours d'une étude, Par hasard, nous avons observé deux séries d'œufs, un ensemble commençant environ deux fois la taille de l'autre. Nous avons vu les embryons se développer côte à côte. En raison de la différence de taille initiale, nous nous attendions à voir beaucoup de déformations structurelles ou au moins que les têtards sortent deux fois plus gros. À notre grande surprise, de nombreux embryons de « gros œufs » ont survécu et leurs têtards ont atteint la même taille que les têtards de « petits œufs », réussissant d'une manière ou d'une autre à s'auto-corriger pendant qu'ils se développaient, " dit le Dr Davidson.

A l'heure où l'ingénierie tissulaire devient de plus en plus utile dans les thérapies de médecine régénérative, Le Dr Davidson estime qu'il n'y a qu'environ cinq ou six autres groupes dans le monde qui effectuent des mesures de propriétés matérielles dans les tissus vivants de vertébrés comme les grenouilles. S'appuyant sur ses recherches et en les combinant avec les résultats d'une étude financée par le NIH en 2016 "Mechanical Control of Mesenchymal-to-Epithelial Transition, " il continuera à étoffer la mécanique de la croissance des tissus.