På ungefär 48 timmar, den enskilda cellen i det befruktade grodägget kommer att genomgå dramatisk förändring för att utveckla vitala kroppsdelar som muskler, ett skelett, ögon, ett hjärta, och en grodyngel svans. Forskare har studerat denna process för att bättre förstå mänsklig utveckling, missbildningar, och cancer och att avancera teknologier som generering av organoider och cellersättningsterapi. Forskare kan störa embryonutvecklingen, pausa det, och accelerera det; dock, de kan inte exakt förklara hur utveckling fungerar. Stöds av National Institutes of Health (NIH), bioingenjörer vid University of Pittsburgh försöker förstå vad som händer inuti ägget.

NIH Department of Health and Human Services tilldelade Lance Davidson, professor i bioteknik vid Pitt's Swanson School of Engineering, $1, 327, 207 för sin studie "Biomechanics of Morphogenesis." Dr Davidson, som leder MechMorpho Lab vid University of Pittsburgh, syftar till att ta en strukturingenjörs syn på biomekaniken för att utveckla embryon.

Pitt-forskarna omvänder de mekaniska processerna som formar den grundläggande kroppsplanen och organutvecklingen i embryon med hjälp av tester, tekniker, och verktyg mer sannolikt att hittas i ett maskintekniskt labb än ett molekylärgenetiklabb.

"Om du såg en bro för första gången, hur skulle du komma på att det fungerade?" frågar Dr. Davidson. "En genetiker kan spränga det i bitar och analysera hur varje del fungerar, men en ingenjör skulle titta på ensemblen, mäter kraft och rörelse. De skulle lägga mer vikt på den och se när den går sönder. Vi tillämpar dessa strukturanalysprinciper för att förstå embryon."

I de omgivande labbet, forskare arbetar med möss, fruktflugor, zebrafisk, och råttor. I Dr. Davidsons labb, det finns Xenopus - en groda som är infödd i Afrika söder om Sahara. Grodor är idealiska för Dr. Davidsons forskning eftersom deras embryon och vävnader är otroligt toleranta mot laboratorieförhållanden och motståndskraftiga mot en ingenjörs "beröring". Även efter att ha tagit bort dem från deras skyddande skal, inducerar genetiska defekter, eller injicera fluorescerande proteinspårämnen, dessa grodor kommer inte att kväka.

"Vi använder grodor eftersom du kan extrahera vävnader mycket lätt, och de kommer att fortsätta växa korrekt, " Dr. Davidson säger. "En grodas öga eller hjärna kan isoleras och kommer att fortsätta växa i en petriskål. Det kommer inte att hända med en mus eller fisk. När det yttre lagret av ett embryo som inte är amfibie skärs, embryot kommer inte att behålla sin struktur. Grod embryon är mer som Play-doh, du kan klippa och klistra in vävnader och omforma dem, även om Play-doh fortfarande är mycket styvare än dessa embryon."

Grodäggen börjar ungefär som en pennspets. Inom ett studieområde som är vant att ta emot stålbalkar eller armerad betongmått, Dr. Davidsons grupp måste bli kreativa med de verktyg de använder.

"För att utföra mikrokirurgi på grodembryona, vi använder en skalpell gjord av mänskliga ögonbrynshår och en hårögla gjord av babyhår, " säger Dr. Davidson. "Embryona är små, våt, och mjuk; dock, de följer fortfarande samma formprinciper för stål eller trä."

"En civil- eller maskiningenjör kan regelbundet utföra tester med tio miljoner pascal stress, " fortsätter han. Tio miljoner pascal handlar om mängden vattentryck som kommer ut ur en högtryckstvätt, och en pascal handlar om hur mycket tryck ett enda papper utövar på en bordsskiva. "Vi måste designa specialverktyg som både kan applicera och mäta stress mellan fem till 20 pascal. Du kan inte bara beställa något som från Amazon, så vi improviserar i vårt labb för att designa och tillverka skräddarsydd utrustning för våra behov."

Genom att studera mekaniken för morfogenes - processen för ett embryo som ändrar form - Dr. Davidson hoppas kunna utveckla ett verktyg som kommer att ge bioingenjörer en mycket större förståelse för och kontroll över självmontering av vävnad.

"Många teknikområden har någon form av mjukvara eller simuleringsverktyg som kan ta gissningen fram till deras design innan de faktiskt börjar bygga. Vi utvecklar något liknande för vävnadsingenjörer så att de inte behöver förlita sig på trial and error hela tiden , " förklarar Dr. Davidson.

Kryptest, stamkartor, och mikro-aspiration är alla tekniska tekniker som används av Dr. Davidsons team för att förstå den underliggande mekaniken bakom morfogenesen. Dessa grodor kanske inte kommer att förvandlas till prinsar snart, men från en liten boll av celler, embryot kan forma sig till en strukturellt komplex grodyngel med fungerande organ.

"Under loppet av en studie, helt av en slump, vi observerade två uppsättningar ägg, en uppsättning börjar ungefär dubbelt så stor som den andra. Vi såg embryona utvecklas sida vid sida. På grund av den ursprungliga storleksskillnaden, vi förväntade oss att se massor av strukturella missbildningar eller åtminstone att grodyngeln skulle bli dubbelt så stora. Till vår förvåning överlevde många av de "stora ägg"-embryona och deras grodyngel växte till samma storlek som de "lilla ägget" grodyngeln, på något sätt lyckas korrigera sig själv medan de utvecklas, " säger Dr. Davidson.

I en tid då vävnadsteknik blir allt mer användbar i regenerativa medicinterapier, Dr. Davidson uppskattar att det bara finns omkring fem eller sex andra grupper i världen som gör mätningar av materiella egenskaper i den levande vävnaden hos ryggradsdjur som grodor. Bygger på sin forskning och kombinerar den med resultat från en 2016 NIH-finansierad studie "Mekanisk kontroll av mesenkymal-till-epitelial övergång, "han kommer att fortsätta att utveckla mekaniken med att växa vävnad.