黑料福利网

Aan de buitenkant is het menselijk lichaam bilateraal symmetrisch. Een gezicht met twee ogen en twee oren die elkaar spiegelen. Ledematen die hetzelfde doen. Binnen in het lichaam is het een ander verhaal. Hoewel gepaarde organen, zoals longen en nieren, ongeveer bilateraal symmetrisch zijn, geldt dat niet voor de andere organen. We hebben geen twee harten of twee levers. Bovendien vind je deze organen aan tegenovergestelde kanten van het lichaam 鈥� het hart aan de linkerkant en de lever aan de rechterkant.

Dus, wat is de oorsprong van deze orgaanasymmetrie?

Embryonale oorsprong

Het is helemaal terug te voeren tot de eerste embryonale fase, zegt Jaap den Toonder, hoogleraar bij de faculteit Mechanical Engineering en hoofd van de Microsystems-onderzoeksgroep 黑料福利网. Het heeft te maken met wat er gebeurt in dat wat we de embryonale knoop noemen.

Een embryonale knoop is een kleine holte die een vloeistof bevat (bestaande uit water, eiwitten, hormonen en andere stoffen). De bovenkant wordt afgesloten door een membraan, terwijl de onderste laag is bekleed met enkele honderden kleine microhaartjes die trilharen worden genoemd. De hele node is slechts een paar honderd micrometer breed.

De cilia in de embryonale knoop draaien in dezelfde richting en maken een gekantelde kegelvormige beweging. Dit genereert een vloeistofstroom in de knoop tegen de klok in. Van deze stroming is bekend dat het een sleutelrol speelt in de links-rechtssymmetrie, aldus Den Toonder.

Kunstmatige knoop

Een cruciale vraag die echter onbeantwoord blijft, is hoe precies de stroming de links-rechtsverdeling van organen in het lichaam in gang zet. Eerdere studies wezen op verschillende redenen, zoals hoe de cilia bewegen en chemische processen die een rol spelen, maar er waren nog geen studies die precies hebben aangetoond hoe het werkt, vertelt Den Toonder. Om deze vraag te beantwoorden, leidde hij een project om een wereldprimeur te ontwerpen: een kunstmatige embryonale node. Tanveer ul Islam, (universitair hoofddocent bij het Zwitserse instituut EPFL) en Den Toonder waren verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de kunstmatige embryonale knoop. en, beiden verbonden aan de Rijksuniversiteit Groningen, leidden de inspanningen om een model te ontwikkelen om de embryonale knoop te simuleren.

Zorgvuldig fabricageproces

Het bouwen van de kunstmatige embryonale knoop in het laboratorium was vooral het werk van Tanveer ul Islam, een postdoctoraal onderzoeker aan de 黑料福利网. Het ontwikkelen van de kunstmatige embryonale knoop omvatte twee belangrijke microfabricageprocessen. In het eerste proces maakten we de cilia van een uniek magnetisch polymeermateriaal, dat werd ontwikkeld in het MicrofabLab van de 黑料福利网. Het tweede proces betrof het maken van de knoop zelf, zegt Tanveer ul Islam. De combinatie van deze twee processen werd bemoeilijkt door de grootte van de microcilia, die slechts 2 micrometer dik en 23 micrometer lang zijn.

In het microfabricageproces kan verkeerde uitlijning van lagen leiden tot fouten. We vonden een manier om de twee delen te combineren zonder dat er een verschuiving ontstaat. Een verkeerde uitlijning, hoe klein ook, zou de knoop beschadigen,鈥� legt Tanveer ul Islam uit.

Nieuwe magnetische methode

Om de zogeheten extra-embryonale vloeistof binnen de knoop na te bootsen, gebruikten de onderzoekers een vloeistofmengsel dat voornamelijk uit water bestond. Hoewel de kunstmatige embryonale klieren ongeveer vijf keer groter zijn dan echte embryonale klieren (ongeveer 500 micrometer doorsnede), hebben ze nog steeds een lengteschaal die vergelijkbaar is met echte embryonale klieren. De reden voor deze grootte is dat de lichtmicroscoop de beweging van alle cilia en de vloeistof niet nauwkeurig zou kunnen visualiseren als de knoop kleiner was, legt Tanveer ul Islam uit.

Vervolgens ontwierp Tanveer ul Islam met zijn collega's een manier om de magnetische cilia te beheersen, terwijl ze tegelijkertijd het stroompatroon dat binnen de knoop ontstond observeerden. We ontwikkelden een nieuwe magnetische methode om de beweging van de trilhaartjes te sturen. We hebben deze methode ook laten patenteren. Met behulp van kleine lichtgevende deeltjes konden we de vloeistofstroom heel precies filmen. Zonder deze visualisatiemethode zouden wij niet in staat zijn geweest om te achterhalen hoe de embryonale knoop functioneert, aldus Tanveer ul Islam. Visualisaties toonden aan hoe de cilia de stroming in de cel starten, wat zeer specifieke stromingspatronen veroorzaakt. Het is echter belangrijk te onthouden dat er geen biologische materie in onze cel zit. Het is een volledig synthetische cel, voegt Den Toonder toe.

Mechanismen die samenwerken

Hij vervolgt: 鈥淓r bestaan verschillende hypotheses om uit te leggen hoe asymmetrie ontstaat. E茅n hypothese stelt dat de cilia aan de onderkant de stroming veroorzaken. Andere cilia, die niet kunnen bewegen, ook wel primaire cilia genoemd en gelegen aan de randen van de knoop, voelen vervolgens de sterkte van die stroming doordat ze vervormen. Dit activeert op zijn beurt een genetisch programma dat de ontwikkeling van asymmetrische organen aanstuurt. Een andere hypothese is dat dit genetische programma juist wordt gestart doordat de nodale stroom zorgt voor een ongelijke verdeling van morfogenen, signaalmoleculen, binnen de knoop.鈥�

Om deze hypotheses te testen met behulp van de stromingspatronen die in de kunstmatige embryonale knoop werden gemeten, was het numerieke model van Ishu Aggarwal en Patrick Onck van de Rijksuniversiteit Groningen van groot belang. De combinatie van de experimenten en de simulaties liet zien dat beide mechanismen, het buigen van de primaire cilia 茅n de verdeling van morfogenen, samenwerken. Dit wijst erop dat er een synergie bestaat tussen deze twee manieren van waarnemen, die samen de links鈥憆echtsasymmetrie in de orgaanontwikkeling aansturen.

Stijve staafjes

Jaap en ik werken al meer dan twintig jaar samen aan onderzoek naar kunstmatige magnetische trilhaartjes, zegt Patrick Onck. Onze samenwerking bij het simuleren van de kunstmatige embryonale knoop is gebaseerd op wederzijds vertrouwen. Tot nu toe is het geen enkele onderzoeksgroep gelukt om de hele embryonale knoop te simuleren, omdat bestaande modellen te veel rekenkracht nodig hebben.

Om de vloeistofstroom in de embryonale knoop te simuleren, hebben we de cilia gemodelleerd als stijve staafjes. Deze volgden precies het veranderende magnetische veld dat we in de experimenten gebruikten. Door de cilia op de gemeten plekken te zetten, konden we het stromingspatroon uit de experimenten goed nabootsen, licht Onck toe.

De Groningse onderzoekers gebruikten een zelfgemaakt algoritme om de simulaties eenvoudiger te maken. Normaal verdelen modellen de vloeistof in heel kleine blokjes, maar in drie dimensies wordt dat snel te ingewikkeld. Zeker voor een embryonale knoop op microschaal met honderden trilhaartjes. Daarom maakten we een set vergelijkingen waarmee we de stroming toch konden berekenen binnen een redelijke tijd. Toch duurden de simulaties nog maanden op onze supercomputers, vertelt Onck.

Het belangrijkste is dat we niet alleen de stroming hebben gesimuleerd, maar ook hoe morfogenen zich in de knoop verspreiden en hoe de primaire cilia vervormen. Samen met de experimenten was deze aanpak nodig om te laten zien wat de links-rechtsasymmetrie veroorzaakt: de samenwerking tussen beide mechanismen.