Een interdisciplinaire studie onder leiding van prof. David Sprinzak, een onderzoeker van de School of Neurobiology, Biochemistry and Biophysics aan de George S. Wise Faculteit voor Life Sciences aan de Universiteit van Tel Aviv, toonde voor het eerst aan dat fysieke krachten betrokken zijn bij de ontwikkeling van het binnenoor bij embryo’s van zoogdieren.
Prof. Sprinzak: “We hebben een nieuw ontwikkelingsmechanisme geïdentificeerd dat wordt aangedreven door mechanische krachten: de ordening van haarcellen in het binnenoor lijkt op de manier waarop atomen zijn georganiseerd in een kristal. Dit is een revolutionaire bevinding die fundamentele percepties op het gebied van ontwikkelingsbiologie.”
De studie werd uitgevoerd door Roie Cohen en Liat Amir-Zilberstein van het laboratorium van Prof. Sprinzak; Prof. Karen Avraham en Shahar Taiber van de Sackler Faculteit der Geneeskunde; en andere onderzoekers van de Faculteit Exacte Wetenschappen en van de Sagol School of Neuroscience aan de Universiteit van Tel Aviv.
Onderzoekers uit Zwitserland en Japan namen ook deel aan het onderzoek. Het artikel dat het werk beschrijft werd in oktober 2020 gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications.
Prof. Sprinzak legt uit: “Het zoogdier oor bestaat uit drie delen: het buitenoor, het middenoor en het binnenoor. Binnen het binnenoor is er een spiraalvormige structuur, het slakkenhuis, dat sensorische cellen bevat die haarcellen worden genoemd. Horen treedt op wanneer geluidsgolven het binnenoor binnendringen en ervoor zorgen dat de kleine haartjes op de haarcellen gaan trillen. Deze trillingen worden vervolgens omgezet in elektrische signalen die naar de hersenen worden gestuurd.
De haarcellen in het slakkenhuis zijn gerangschikt in een zeer georganiseerd patroon, waarbij de haarcellen en een tweede celtype, ondersteunende cellen genaamd, een afwisselend schaakbordachtig patroon vormen. Deze organisatie is belangrijk omdat verschillende gebieden langs het slakkenhuis reageren op verschillende geluidsfrequenties. Zo’n opmerkelijk georganiseerd cellulair systeem is nogal ongebruikelijk in de natuur – in feite is het binnenoor een van de meest georganiseerde weefsels in het zoogdier lichaam. In dit werk, onderzochten we het mechanisme dat ervoor zorgt dat de haarcellen zich in een dergelijk patroon rangschikken tijdens de embryonale ontwikkeling. Om dit te doen, hebben we een interdisciplinaire studie uitgevoerd met twee innovatieve benaderingen: een nieuwe beeldtechnologie en computersimulaties van het proces. “
Om de ontwikkeling van haarcellen in het embryo te volgen, bestudeerden de onderzoekers muizen embryo’s in verschillende ontwikkelingsstadia. Ze ontdekten dat de cellen in het weefsel al vroeg ongeordend en ongedifferentieerd zijn; namelijk hun type en positie was nog niet bepaald. Naarmate de ontwikkeling vordert, differentiëren de cellen zich tot haarcellen en ondersteunende cellen. Vervolgens herschikken ze zich geleidelijk in het georganiseerde schaakbordachtige patroon.
Prof. Sprinzak: “Tot nu toe concentreerden de meeste onderzoekers in het veld zich op het proces van celdifferentiatie, dat wordt gestuurd door intercellulaire communicatie. We veronderstelden dat dit niet voldoende was om het waargenomen gedrag te verklaren, en we besloten te onderzoeken hoe cellen zich herschikken tot vormen een geordend patroon na differentiatie.”
Om dit te doen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe beeldtechnologie die is gebaseerd op driedimensionale time-lapse-beeldvorming van het binnenoor met behulp van een gespecialiseerde microscopie-opstelling. Deze aanpak maakte het mogelijk om time-lapse-video’s te maken van de ontwikkeling van het weefsel en om de morfologische processen die zich gedurende meerdere dagen voordoen te volgen.
Prof. Sprinzak: “Dit is de eerste keer dat het proces continu en met een hoge resolutie wordt waargenomen. We zagen dat de aanvankelijk ongeordende haarcellen en ondersteunende cellen actief bewegen totdat ze zich geleidelijk in een geordende reeks rangschikken. Naburige cellen, bekend als Hensen cellen, bewegen in één richting en oefenen afschuifkrachten uit op de haarcellen – krachten die parallel werken aan de laag cellen. Deze krachten persen de haarcellen samen, waardoor ze zich in een compact en georganiseerd patroon rangschikken. “
In de volgende fase gebruikten de onderzoekers computersimulaties om het patroon vormingsproces te modelleren. Het model toonde aan dat twee belangrijke mechanische krachten op de haarcellen inwerken tijdens het patroon vormingsproces: afschuifkrachten, die het samendrukken en bewegen van de haarcellen in het weefsel veroorzaakten. en afstotingskrachten tussen de haarcellen, die ervoor zorgen dat de haarcellen niet te dicht bij elkaar komen.
Prof. Sprinzak: “We waren verrast om te ontdekken dat het patroon vormingsproces van de haarcellen in het slakkenhuis sterk leek op een bekend fysiek proces – de patroonvorming van atomen tijdens de vorming van een kristal. Net zoals atomen een zeer geordend kristal vormen wanneer er externe krachten op worden uitgeoefend, zo herschikken de haarcellen en de ondersteunende cellen zich in een zeer geordend patroon als reactie op mechanische krachten die erop inwerken.
Dit is een geheel nieuwe manier van denken op het gebied van ontwikkelingsbiologie. De inzichten uit onze studie werpen licht op nieuwe onderzoeksrichtingen die relevant zijn voor veel andere ontwikkelingsprocessen in andere organen. “
Prof. Lawrence Lustig, de Howard Smith Professor en voorzitter van Otolaryngology aan Columbia University en New York Presbyterian Hospital, die niet betrokken was bij het onderzoek, voegde eraan toe dat de bevindingen van de studie ook belangrijke medische implicaties kunnen hebben. “Alle haarcellen in ons binnenoor worden aangemaakt in een embryonaal stadium en regenereren niet tijdens iemands leven. Dood van haarcellen in het binnenoor in elk stadium van het leven leidt tot permanent gehoorverlies.
In de afgelopen jaren is er door de wetenschappelijke gemeenschap veel moeite gedaan om therapeutische benaderingen voor gehoorverlies te ontwikkelen op basis van regeneratie van haarcellen – een proces waarbij de vorming van nieuwe haarcellen wordt geïnduceerd door genetische therapie of kleine signaalmoleculen. Deze studie levert een belangrijke bijdrage aan het begrip van het proces vanen is een cruciale stap in de richting van dit doel. “
Ontvang gratis onze nieuwsbrieven!
