Wiskundig model helpt ontstaan van wervels en ribben te verklaren
Leidse wiskundig biologen hebben een model ontwikkeld dat helpt verklaren hoe onder meer de ruggengraat en de wervels ontstaan in de embryonale ontwikkeling. Hetzelfde proces, maar dan andersom, speelt een sleutelrol bij de uitzaaiing van kanker. Publicatie in iScience.
De embryonale ontwikkeling van gewervelde dieren kent een moment waarop somieten vormen: dat zijn primitieve segmenten waaruit de ruggenwervels, ribben, rugspieren, kraakbeen, pezen en een deel van de huid ontstaan. Bekend is dat mechanische krachten een rol spelen in de ontwikkeling van die somieten, maar op welke manier was nog onbekend. Hoogleraar Mathematische biologie Roeland Merks en onderzoekers bij het Amsterdam UMC hebben nu een verklaring gevonden. Ze publiceerden erover in iScience, een interdisciplinair open access tijdschrift van het gerenommeerde Cell Press.
Naar buiten geduwd
Merks werkte samen met hoogleraar Translationele Regeneratieve Geneeskunde Theo Smit en zijn team van het Amsterdam UMC. De onderzoekers gebruikten een nieuwe, experimentele techniek op somieten uit kippeneieren, 24 uur na bevruchting. Op dat tijdstip zijn somieten aan het vormen, maar organen zoals het hart zijn nog niet ontwikkeld. De onderzoekers onderzochten de rol van mechanische krachten door de somieten bloot te stellen aan extra uitrekking. Terwijl de somietvorming normaal doorging, splitsten al gevormde somieten zich in twee of meer delen.
Het wiskundige model van Merks leverde hiervoor een verklaring. Merks: ‘Een somiet is een soort blaasje met aan de buitenkant stevige epitheliaalcellen en in de kern zogenaamde mesenchymale cellen, die wat meer beweeglijk zijn. Ons wiskundige model suggereerde dat doordat een somiet uitgerekt wordt, de beweeglijke mesenchymale cellen in de kern in de laag van stevige epitheliaalcellen worden geduwd. Vervolgens worden de cellen opgenomen in die buitenste laag en komt er een scheiding in de somiet. Zo ontstaan twee somieten.’
Omgekeerd proces bij uitzaaiing
Het Amsterdam UMC ging na of het wiskundige model kan kloppen. Het team telde het aantal mesenchymaalcellen en epitheliaalcellen voor en na het oprekken. Daaruit konden de onderzoekers afleiden dat door het uitrekken mesenchymaalcellen uit de kern van de somiet inderdaad in het epitheliaalweefsel aan de buitenkant werden opgenomen. Precies zoals het model voorspelde.
Hetzelfde proces komt ook op omgekeerde wijze voor: cellen die zich losmaken uit een epitheelweefsel. Dat proces is een sleutelstap bij de uitzaaiing van kanker. Uit andere studies – waarbij Merks en medeauteurs niet betrokken zijn – is recentelijk gebleken dat mechanische signalen hierbij ook een rol spelen. Naast meer inzicht in de embryonale ontwikkeling en de rol van mechanische rek, biedt de studie dus mogelijk aanknopingspunten voor verder onderzoek naar de rol van mechanische rek bij uitzaaiing van kanker.
Bij het Instituut Biologie Leiden en het Mathematisch Instituut werkt Roeland Merks vanuit de wiskunde aan biologische fenomenen. Aan de hand van wiskundige technieken proberen hij en zijn team biologische problemen op te lossen, die vervolgens getoetst kunnen worden in het laboratorium. Merks gebruikt de wiskunde bijvoorbeeld om angiogenese te begrijpen: hoe bloedvaten groeien en hoe cellen in staat zijn om samen een bloedvat te vormen, zoals in tumoren.