Le développement des alvéoles dans les organoïdes dérivés du tissu de la glande mammaire suit les mêmes principes physiques que la formation de gouttelettes discrètes dans un jet d'eau.

De nombreux systèmes organiques trouvés chez les animaux présentent des structures très complexes, indispensables à leurs diverses fonctions. Comment de telles structures se développent au cours du développement embryonnaire est une question centrale en biologie. Des physiciens dirigés par Erwin Frey (professeur de physique statistique et biologique à LMU Munich) et Andreas Bausch (professeur de biophysique cellulaire à l'Université technique de Munich) ont étudié ce problème fondamental en utilisant des mini-organes appelés organoïdes comme système expérimental. L'équipe s'est concentrée sur les « alvéoles » sphériques dans lesquelles se terminent les canaux de la glande mammaire en lactation. L'étude a démontré en détail que ces alvéoles se forment selon les mêmes principes que des gouttelettes dans un jet d'eau sortant d'un tuyau.

Le travail expérimental a été réalisé dans le laboratoire de Bausch et a utilisé des organoïdes de glande mammaire cultivés en culture à partir de tissus humains excisés. Les organoïdes sont des systèmes modèles tridimensionnels qui présentent de nombreuses propriétés physiologiquement pertinentes de l'organe dont ils proviennent. Ainsi, les organoïdes de la glande mammaire forment des conduits qui se ramifient en groupes de structures tubulaires plus petites, dont chacun se termine par un sac sphérique ou alvéole. Cette architecture est typique de la glande mammaire humaine en lactation, mais on le trouve aussi dans de nombreux autres organes dont le poumon. Bausch et son groupe ont réussi pour la première fois à suivre la dynamique de croissance des mini-organes sur plusieurs jours par microscopie time-lapse. En outre, ils ont étudié la réponse micromécanique du tissu en développement à la localisation, ablation de cellules induite par laser.

En utilisant cette stratégie, les chercheurs ont pu lier la formation des alvéoles sphériques à un changement dans la direction du mouvement des cellules dans le tissu en développement. Les cellules de chaque tubule sont constamment en mouvement, tirant sur leurs voisins immédiats. En premier, ils migrent collectivement d'avant en arrière le long des parois des tubules. "Mais à un moment donné, les cellules à l'extrémité des tubules commencent à suivre un parcours de rotation. Ce changement de comportement, associés aux interactions entre cellules voisines, se propage ensuite vers l'arrière jusqu'à ce que toutes les cellules près de l'extrémité d'une branche commencent à tourner collectivement, " dit Andriy Goychuk, membre du groupe de recherche d'Erwin Frey et co-auteur de la publication. Ses collègues Pablo Fernandez et Benedikt Buchmann dans le groupe d'Andreas Bausch, qui a effectué les expériences d'ablation, explique ce qui se passe comme suit. "Les cellules n'exercent plus la même force dans toutes les directions, ce qui entraîne une altération de leurs trajectoires. Alors que les alvéoles qui alternent mouvement d'avant en arrière exercent plus de force dans la direction de l'axe du tube qu'autour de sa circonférence, ce n'est plus le cas pour les cellules qui suivent un parcours de rotation. Grâce à la plus grande contrainte de traction le long de la circonférence, la pointe de chaque tube se développe en une saillie sphérique."

Selon les auteurs, le mode de formation des protubérances sphériques est analogue au mécanisme responsable de la formation de gouttes dans un jet d'eau. Comme les cellules de l'organoïde en développement, la surface du jet d'eau est sous tension. Tous les objets soumis à une force de traction tentent de minimiser leur surface. Puisque la surface d'une sphère est inférieure à celle d'un cylindre, le jet d'eau se brise en gouttelettes discrètes et dans le tissu de la glande mammaire, la rotation des alvéoles de tête modifie l'équilibre des forces dans les branches tubulaires de telle sorte qu'elles deviennent instables, comme dans le cas du jet d'eau, et forment des protubérances sphériques. "Ce modèle théorique fournit un cadre important pour l'analyse de transformations géométriques plus complexes dans les tissus biologiques, telles que celles qui se produisent pendant le développement des glandes salivaires, le pancréas, le rein et le poumon, " dit Frey.