Tehnologia de cartografiere 3D descoperă formarea foliculilor de păr în timp
O echipă de cercetători de la Johns Hopkins Medicine a dezvoltat o tehnologie inovatoare care permite capturarea unui „instantaneu” molecular 3D al sutelor de foliculi de păr în timpul dezvoltării lor, reconstruind astfel dimensiunea temporală pentru a crea o animație în stil stop-motion a formării acestui organ.
Cercetarea, finanțată de National Institutes of Health, a fost publicată online pe 1 iulie și va apărea în ediția din 3 septembrie a revistei Cell.
Folicii de păr sunt cele mai mici și numeroase organe din corpul uman, formându-se în mod similar cu alte organe. Această descoperire deschide calea pentru o mai bună înțelegere a modului în care dezvoltarea organelor poate fi afectată la persoanele cu anumite condiții congenitale.
„Harta noastră în patru dimensiuni (4D) a foliculului de păr de la șoareci servește ca un sistem model pentru a înțelege fundamentele generale ale dezvoltării organelor”, afirmă Reza Kalhor, asociat la Facultatea de Medicină a Universității Johns Hopkins, care a condus studiul recent.
Prin analiza hărții 4D, cercetătorii au reușit să identifice faze distincte în formarea acestui organ, un proces complex ce implică mii de celule. Inițial, celulele precursor se organizează pentru a stabili axa spațială a organului, perpendicular pe suprafața pielii. Apoi, aceste precursori devin diferite tipuri de celule necesare pentru formarea foliculilor de păr. În final, aceste noi tipuri de celule cresc și se transformă într-un folicul matur, pregătindu-se pentru producerea firului de păr.
Cercetarea compară foliculii de păr ai șoarecilor normali cu cei ai șoarecilor fără păr, care nu au gena Foxn1, esențială pentru creșterea părului. Această comparație ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă cum se dezvoltă condițiile medicale care provoacă pierderea părului, deschizând astfel noi direcții pentru prevenirea și tratarea acestei probleme, spune Luis Garza.
Cercetătorii au căutat de mult timp o metodă de a vizualiza cum se dezvoltă organele în timp. Acest lucru ar putea duce la o mai bună înțelegere a modului în care anumite condiții ereditare afectează dezvoltarea organelor sau la capturarea modului în care și când se dezvoltă tumorile, facilitând diagnosticele și tratamentele timpurii, explică Kalhor.
„Această problemă rămâne complicată deoarece organele sunt generate de milioane de celule în procese foarte complexe și coordonate”, spune Soichiro Asami, primul autor al lucrării și doctorand în laboratorul lui Kalhor. „Am dezvoltat o tehnologie care abordează problema vizualizării acestora și am aplicat-o la foliculii de păr, deoarece există sute de foliculi care acoperă fiecare etapă a dezvoltării organelor.”
Inginerii biomedicali Kalhor și Asami au colaborat cu Garza, care studiază frecvent șoarecii Foxn1 ca model pentru înțelegerea modului în care se dezvoltă tulburările de creștere a părului și pentru a găsi noi metode de tratament. Garza a oferit un context esențial și mostre de țesut de la șoareci normali și fără păr pentru acest studiu recent.
Cercetătorii au dezvoltat un nou instrument de imagistică moleculară, 3D DNase-Enhanced Expression Profiling (3DEEP), care le permite să analizeze bucăți de țesut suficient de mari pentru a captura organul foliculilor de păr în întregime din mostrele de piele ale șoarecilor normali și cheli. 3DEEP elimină ADN-ul genomic din mostrele de piele, care poate interfera cu reacțiile chimice utilizate pentru a vizualiza fragmente fragile de ARN mesager esențial pentru înțelegerea dezvoltării organelor.
Ulterior, cercetătorii au etichetat pozițiile a milioane de molecule de ARN din probă, oferind o hartă spațială precisă 3D a expresiei genelor în țesut. Apoi, au clasificat tipurile de celule din aceste organe complexe, au calculat vârsta moleculară a fiecărui folicul de păr și au aliniat foliculii de la cei mai tineri la cei mai în vârstă, transformând instantanee 3D înghețate ale pielii șoarecilor normali și cheli în animație 3D în stil stop-motion. Jean Fan a creat o interfață online pentru explorarea și interacțiunea cu această animație.
„Aceste instrumente ne arată cum un folicul de păr crește de la o îngroșare mică a pielii până la o structură profundă și matură”, afirmă Garza. „Este o fereastră către organogeneză.”
Comparând hărțile probelor de foliculi de păr de la șoareci normali și cheli, cercetătorii au determinat că foliculii de păr de la șoareci fără păr au experimentat o dezvoltare întârziată. Celulele din foliculii șoarecilor cheli au avut o rată de proliferare mai mare, dar o capacitate redusă de a se maturiza și de a-și asuma roluri specifice la momentul potrivit, destabilizând astfel coregrafia delicată a dezvoltării organului, explică Kalhor.
„Mutația Foxn1 a dus la o întrerupere în comunicarea celulară și în temporizare, provocând colapsul structural al organelor foliculilor de păr înainte ca părul să aibă șansa de a se forma”, spune Asami.
În viitor, Garza afirmă că această tehnică de vizualizare a dezvoltării foliculilor de păr are potențialul de a ajuta cercetătorii să înțeleagă cauza anumitor condiții de pierdere a părului la oameni.
„În cele din urmă, dacă putem aplica această tehnologie la oameni, atunci vom putea afla o cantitate enormă de informații de la fiecare pacient și îi putem ajuta să fie tratați individual”, adaugă Garza.
Pe lângă Asami, Fan, Garza și Kalhor, un alt cercetător de la Johns Hopkins, Chenshuo Yin, a contribuit la această lucrare.
