Entwicklung von Organismen identifizieren und zu beheben Gesichtsdefekten

Entwicklungsbiologen an der Tufts University haben eine " selbstkorrigierende " Mechanismus, mit dem sich entwickelnden Organismen erkennen und reparieren Kopf- und Gesichtsanomalienidentifiziert. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Mechanismus ist für das Gesicht und die erste Mal, dass diese Art von flexiblen , Korrekturprozess wurde rigoros durch mathematische Modellierung analysiert gemeldet.

Die Forschung, die in der Ausgabe Mai 2012 der Zeitschrift berichtet Developmental Dynamics ,verwendet eine Kaulquappe Modell , um zu zeigen , dass die Entwicklung Organismen sind nicht genetisch " festverdrahtete " mit einer Reihe von vorgegebenen Zellbewegungen , die in normalen Gesichtszüge führen. Stattdessen ist der Prozess der Entwicklung adaptiver und robust. Zellgruppen in der Lage, ihre Form und Position in Bezug auf andere Organe zu messen und durchzuführen, die Bewegungen und Umbau benötigt, um für signifikante Strukturierung Anomalien zu kompensieren sind , zeigt die Studie .

" Eine große Frage ist immer , wie kann komplexe Formen wie das Gesicht oder den ganzen Embryo setzten sich zusammen ? Wir haben festgestellt , dass , wenn wir Defekte im Gesicht experimentell angelegt , bewegen Gesichts-Strukturen um auf verschiedene Weise und meist am Ende in der richtigen Positionen ", sagte Michael Levin , Ph.D., Senior-Autor auf dem Papier und Direktor des Zentrums für Regenerative und Entwicklungsbiologie in der Schule der Künste und Wissenschaften der Tufts University . "Dies legt nahe , dass , was das Genom kodiert schließlich ist eine Reihe von dynamischen, flexiblen Verhaltens von dem die Zellen in der Lage sind , um Anpassungen vorzunehmen , um bestimmte komplexe Strukturen aufbauen . Wenn wir erfahren könnte , wie Systeme bioengineer die zuverlässig selbst montiert und repariert Abweichungen vom gewünschten Zielform , regenerative Medizin, Robotik, und sogar die Weltraumforschung würde umgewandelt werden. "

Bisherige Untersuchungen hatten Selbstkorrekturmechanismenin anderen embryonalen Prozesse gefunden - wenn auch nie in das Gesicht - aber solche Mechanismen nicht mathematisch analysiert, um die genaue Dynamik der Korrekturprozess zu verstehen .

" Was wurde aus früheren Studien fehlen - und nach unserer Kenntnis noch nie in einem Tiermodell durchgeführt worden - war es, genau zu verfolgen diese Änderungen im Laufe der Zeit und quantitativ zu vergleichen ", sagte erster Autor Laura Vandenberg , Ph.D., Post-Doc- Mitarbeiter am Zentrum für Regenerative und Entwicklungsbiologie . Eine solche Analyse ist von entscheidender Bedeutung , um beginnen zu verstehen, welche Informationen wird erstellt und damit eine komplexe Struktur neu anordnen und sich selbst zu reparieren manipuliert.

Co-Autor mit Levin und Vandenberg war Dany S. Adams , Ph.D. Adams ist wissenschaftlicher Mitarbeiter Professor in der Abteilung für Biologie und Mitglied des Zentrums.

Die Büschel Biologen induzierten kraniofazialen Defekten in Xenopus Froschembryonen durch Injizieren spezifischen mRNA in einer Zelle im Zweizellstadium der Entwicklung; dies führte zu abnormalen Strukturen auf einer Seite der Embryonen . Dann dadurch Änderungen in der Form und Position der kraniofazialen Strukturen, wie Backen , Kiemenbögen , Augen, Ohrkapseln und olfaktorischen Pits durch " geometrische morphometrische Analyse ", die Positionierung eines insgesamt 32 Landmarken auf der Ober- und Unterseite gemessen, Seiten der Kaulquappen .

Bilder von Kaulquappen in genauen Abständen entnommen wurden, zeigten , dass sie im Alter , die kraniofaziale Anomalien oder Störungen , wurde weniger offensichtlich. Dies galt insbesondere für die Backen und Kiemenbögen . Augen- und Nasengewebewurde mehr normale Lauf der Zeit aber variiert Fähigkeit, eine völlig erwarteten Form und Position zu erzielen.

Änderungen in der Form und Lage der Gesichtszüge sind ein normaler Teil der Entwicklung, wie alle Babys Tiershows . Mit zunehmendem Alter Gesichter verlängern und Augen, Nase und Kiefer bewegen sich relativ zueinander. Aber die Bewegung ist in der Regel gering.

Im Gegensatz dazu fanden die Tufts Forschungsteam , dass in Kaulquappen mit schweren Missbildungen , verschoben die Gesichtsstrukturendrastisch , um diese Fehlbildungen zu reparieren. Es war , sagten die Forscher , als ob das System in der Lage, Abweichungen vom Normalzustand zu erkennen und Korrekturmaßnahmen durchzuführen , die normalerweise nicht stattfinden würde .

" Wir waren sehr erstaunt , das zu sehen , lange bevor sie unter Metamorphose und wurde Frösche hatten diese Kaulquappen normal aussehende Gesichter. Stellen Sie sich die Auswirkungen eines Tieres mit einer schweren " Geburtsfehler " , die mit der Zeit allein kann diesen Mangel zu beheben , " sagte Vandenberg .

Information Exchange -Prozess

Diese Ergebnisse , so die Tufts Biologen, sind konsistent mit einer Informationsaustauschverfahren, in dem eine Struktur trianguliert sein Abstand und Winkel von einer stabilen Referenzpunkt. Während weitere Studien erforderlich , schlagen die Forscher, dass " Pings " ( Informationen enthaltenden Signale) zwischen einer " Organisation Zentrum " ausgetauscht - wie Gehirn und neuronale Netz - und individuellen Gesichtsschädelstrukturen.

Der Artikel weist darauf hin , dass angeborene Fehlbildungen der kraniofazialen Strukturen umfassen eine bedeutende Klasse von Missbildungen wie Lippen- Kiefer-Gaumenspalte und Mikrophthalmie , die mehr als 1 von 600 Geburten. Entmystifizierung der "face- Fixierung " Mechanismus, durch weitere Forschung auf molekularer Ebene könnte neue Ansätze zur Korrektur von Fehlbildungen beim Menschen zu begeistern.

" Ein solches Verständnis würde enorme Auswirkungen nicht nur für die Reparatur von Geburtsschäden , sondern auch für andere Bereiche der Systembiologie und die Komplexität der Wissenschaft haben . Es könnte uns dabei helfen, Hybrid biotechnologisch Systemen für synthetische oder Regenerationsbiologie , oder ganz künstliche Robotersysteme , die sich selbst reparieren kann nach Beschädigung oder konfigurieren ihre eigene Struktur zu entsprechen ändernden Bedürfnisse in einem komplexen Umfeld ", sagte Levin .