Er is een nieuwe geometrische vorm ontdekt die een driedimensionale verpakking van epitheelcellen mogelijk maakt bij het maken van gebogen weefsels en organen.
Elk levend organisme begint als een enkele cel , die zich vervolgens deelt in meer cellen, die zich verder delen en onderverdelen totdat miljarden cellen zijn gevormd die het hele organisme vormen. Het is een van de meest raadselachtige aspecten van de biologie hoe, beginnend bij cellen, eerst weefsels en vervolgens organen ontstaan. In wezen ontwikkelt een eenvoudige structuur van het embryo, gevormd door slechts enkele cellen, zich tot een levend organisme met complexe organen. Miljoenen epitheelcellen vormen bijvoorbeeld de menselijke huid, ons grootste orgaan en sterkste barrière. Als onze huid een volledig vlak oppervlak was, zouden bekende geometrische vormen op elkaar gestapeld kunnen worden om huid te vormen. Maar omdat ons lichaam niet plat is, moeten deze epitheelcellen zich buigen en krommen. Epitheelcellen vormen niet alleen de buitenste laag van onze huid, maar bekleden ook de bloedvaten en organen bij alle dieren. Tijdens de ontwikkeling van een embryo buigen weefsels (bestaande uit cellen) zich en vormen complexe driedimensionale structuren die vervolgens organen zoals het hart of de lever worden. De begincellen, epitheelcellen, 'bewegen' en 'verbinden' zich om zichzelf te organiseren en dicht op elkaar te pakken, waardoor een orgaan zijn uiteindelijke driedimensionale vorm krijgt, aangezien de meeste organen gebogen structuren zijn. Vanwege deze vereiste kromming is het begrijpelijk dat de epitheelcellen die de organen bekleden een kolom- of flesvorm moeten aannemen om de organen te kunnen omhullen tijdens de groei van het embryo. Epitheelcellen vervullen ook andere functies, zoals het vormen van een barrière tegen infecties en de opname van voedingsstoffen.
Een nieuwe vorm ontdekt!
Onderzoekers van de Universiteit van Sevilla in Spanje en de Lehigh University in de Verenigde Staten concluderen in hun studie, gepubliceerd in Nature Communications, dat epitheelcellen een vorm aannemen die lijkt op 'gedraaide prisma's'. Deze nieuwe, solide geometrische vorm is ' scutoid ' genoemd. Deze vorm stelt epitheelcellen in staat hun doel te bereiken: het driedimensionaal bedekken van organen. Een scutoid is een prisma-achtige structuur met zes zijden aan de ene kant en vijf aan de andere, plus een driehoekig vlak aan een van de lange zijden van het prisma. Deze unieke structuur van de scutoid maakt het mogelijk om ze op elkaar te stapelen met afwisselend vijf- en zeszijdige uiteinden, waardoor gebogen oppervlakken ontstaan. Deze naam bestaat niet in de meetkunde en werd door de onderzoekers na zorgvuldige overweging gekozen vanwege de gelijkenis van de scutoid met de vorm van een scutellum van een kever, het achterste uiteinde van het borststuk van een insect.
Scutoid-vorm is overvloedig
Onderzoekers gebruikten een computermodelleringstechniek met behulp van Voronoi-diagrammen. Dit is de meest gebruikte methode om geometrische vormen in verschillende vakgebieden te begrijpen. Modelleerexperimenten toonden aan dat naarmate de kromming in het weefsel toeneemt, de cellen waaruit dit weefsel bestaat complexere vormen aannemen dan alleen kolommen en flesvormen, zoals eerder werd aangenomen. De epitheelcellen nemen een vorm aan die voorheen onbeschreven was en deze specifieke vorm helpt de cellen energiezuiniger te worden en tegelijkertijd een stabiele pakking te maximaliseren. Onderzoekers bestudeerden de driedimensionale pakking van verschillende weefsels in verschillende dieren om hun perspectieven te analyseren. Experimentele gegevens toonden aan dat epitheelcellen inderdaad zeer vergelijkbare 3D- motieven aannemen als voorspeld door de computermodellering. Deze nieuwe vorm , de scutoïde, helpt dus bij het buigen en krommen en zorgt voor de meest optimale manier voor de cellen om stabiel gepakt te blijven. Nadat ze het bestaan van deze nieuwe vorm hadden vastgesteld, onderzochten de onderzoekers de aanwezigheid van een scutoïde-achtige vorm in andere organismen en ontdekten dat deze vorm daar in overvloed aanwezig was. Deze schildvormige structuren zijn ook aangetroffen in epitheelcellen van zebravissen en speekselklieren van fruitvliegen, met name in die gebieden waar het weefsel de grootste kromming moest vertonen in plaats van een plat uiterlijk te hebben.
Dit is een zeer interessante en unieke ontdekking die ons begrip kan vergroten en ons kan helpen de driedimensionale organisatie van organen (morfogenese) te beheersen. Het kan meer licht werpen op wat er gebeurt als een orgaan niet correct wordt gevormd, wat leidt tot ziekten. Het zou een enorme hulp kunnen zijn op het gebied van het kweken van kunstmatige organen en weefseltechnologie, aangezien het bouwen van steigers met de juiste verpakkingsstructuur tot betere resultaten zou leiden. De ontdekking van deze nieuwe vorm heeft potentiële toepassingen op verschillende wetenschappelijke gebieden.
***
Bron (nen)
Gomez-Gálvez P et al. 2018. Scutoïden zijn een geometrische oplossing voor driedimensionale pakking van epithelia. Nature Communications. 9 (1).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05376-1
***
