Utvecklingen av alveoler i organoider som härrör från bröstkörtelvävnad följer samma fysikaliska principer som bildandet av diskreta droppar i en vattenstråle.

Många av de organsystem som finns hos djur uppvisar mycket komplexa strukturer, som är väsentliga för deras olika funktioner. Hur sådana strukturer utvecklas under embryonal utveckling är en central fråga inom biologin. Fysiker ledda av Erwin Frey (professor i statistisk och biologisk fysik vid LMU München) och Andreas Bausch (professor i cellulär biofysik vid tekniska universitetet i München) undersökte detta grundläggande problem med hjälp av miniorgan som kallas organoider som deras experimentella system. Teamet fokuserade på de sfäriska "alveolerna" där kanalerna i den ammande bröstkörteln slutar. Studien visade i detalj att dessa alveoler bildas enligt samma principer som droppar i en vattenstråle som kommer från en slang.

Det experimentella arbetet utfördes i Bauschks laboratorium och använde bröstkörtelorganoider som odlats i odling från utskurna mänskliga vävnader. Organoider är tredimensionella modellsystem som uppvisar många av de fysiologiskt relevanta egenskaperna hos det organ från vilket de härstammar. Således, bröstkörtelorganoider bildar kanaler som förgrenar sig till kluster av mindre rörliknande strukturer, som var och en slutar i en sfärisk säck eller alveol. Denna arkitektur är typisk för den ammande bröstkörteln, men det finns också i många andra organ inklusive lungan. Bausch och hans grupp lyckades för första gången följa miniorganens tillväxtdynamik under flera dagar via time-lapse-mikroskopi. Dessutom, de undersökte det mikromekaniska svaret från den utvecklande vävnaden på den lokaliserade, laserinducerad ablation av celler.

Genom att använda denna strategi, forskarna kunde koppla bildandet av de sfäriska alveolerna till en förändring i rörelseriktningen för cellerna i den utvecklande vävnaden. Cellerna i varje tubuli är ständigt i rörelse, dra på sina närmaste grannar. I början, de vandrar kollektivt fram och tillbaka längs tubuliernas väggar. "Men någon gång, cellerna i spetsarna av tubuli börjar följa en roterande kurs. Denna förändring i beteende, associerade med interaktioner mellan närliggande celler, fortplantar sig sedan bakåt tills alla celler nära spetsen av en gren börjar rotera som ett kollektiv, " säger Andriy Goychuk, medlem i Erwin Freys forskargrupp och gemensam förstaförfattare till publikationen. Hans kollegor Pablo Fernandez och Benedikt Buchmann i Andreas Bauschs grupp, vem som utförde ablationsexperimenten, förklara vad som händer på följande sätt. "Cellerna utövar inte längre samma kraft i alla riktningar, vilket resulterar i en förändring i deras banor. Medan cellerna som växlar mellan framåt- och bakåtrörelse utövar mer kraft i riktning mot rörets axel än runt dess omkrets, det är inte längre fallet för de celler som följer ett rotationsförlopp. Tack vare den större dragspänningen längs omkretsen, spetsen på varje rör utvecklas till ett sfäriskt utsprång."

Enligt författarna, sättet att bilda de sfäriska utsprången är analogt med mekanismen som är ansvarig för bildandet av droppar i en vattenstråle. Liksom cellerna i den utvecklande organoiden, ytan på vattenstrålen är under spänning. Alla föremål som utsätts för en dragkraft försöker minimera sin yta. Eftersom ytan på en sfär är mindre än en cylinders, vattenstrålen bryts upp i diskreta droppar – och i bröstkörtelvävnaden, rotationen av de ledande cellerna förändrar kraftbalansen i de rörformiga grenarna på ett sådant sätt att de blir instabila, som i fallet med vattenstrålen, och bildar sfäriska utsprång. "Denna teoretiska modell ger en viktig ram för analys av mer komplicerade geometriska transformationer i biologiska vävnader - som de som uppstår under utvecklingen av spottkörtlarna, bukspottkörteln, njuren och lungan, säger Frey.