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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 263 (2023) Citare questo articolo

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La chiusura del tubo neurale (NTC) è un processo complesso di sviluppo embrionale che coinvolge meccanismi molecolari, cellulari e biomeccanici. Mentre i fattori genetici e la segnalazione biochimica sono stati ampiamente studiati, il ruolo della biomeccanica dei tessuti rimane per lo più inesplorato a causa della mancanza di strumenti. Qui, abbiamo sviluppato una modalità ottica in grado di condurre l'imaging meccanico time-lapse del tessuto della placca neurale mentre l'embrione sta sperimentando la neurulazione. Questa tecnica si basa sulla combinazione di un microscopio confocale Brillouin e una coltura ex ovo modificata di embrioni di pulcino con un'incubatrice sul palco. Con questa tecnica, per la prima volta, abbiamo catturato l'evoluzione meccanica del tessuto della placca neurale con embrioni vivi. Nello specifico, abbiamo osservato il continuo aumento del modulo tissutale della placca neurale durante l'NTC per gli embrioni coltivati ​​ex ovo, che è coerente con i dati della coltura in ovo e con gli studi precedenti. Oltre a ciò, abbiamo scoperto che l’aumento del modulo tissutale era altamente correlato all’ispessimento e alla flessione del tessuto. Prevediamo che questa tecnica senza contatto e senza etichetta apra nuove opportunità per comprendere i meccanismi biomeccanici nello sviluppo embrionale.

La chiusura del tubo neurale (NTC) è una procedura centrale della neurulazione dei vertebrati in cui la placca neurale planare verrà sollevata e fusa per formare un tubo neurale cavo. Un fallimento di questa procedura può provocare gravi difetti del tubo neurale, che rappresentano uno dei difetti congeniti umani più comuni1. I processi genetici e molecolari che guidano le NTC sono stati ampiamente studiati per molti decenni2,3,4. D’altro canto, i meccanismi biomeccanici che potrebbero essere coinvolti nelle NTC stanno attirando sempre più attenzione negli ultimi anni5,6,7. A livello cellulare e tissutale, la morfogenesi del tubo neurale può essere considerata come il risultato dell'interazione tra la forza generata e la resistenza meccanica del tessuto embrionale8,9: la riuscita chiusura del tubo neurale richiede che la forza intrinseca possa vincere la tensione opposta dei tessuti che fa affidamento sulla sua proprietà elastica. Pertanto, l'alterazione della biomeccanica dei tessuti può causare la mancata chiusura e quindi la malformazione del tubo neurale10. Sebbene negli esperimenti siano stati osservati la produzione di forza e il cambiamento meccanico del tessuto durante la procedura di NTC10,11,12, il contributo quantitativo di specifici processi biomeccanici per garantire una robusta neurulazione rimane per lo più sconosciuto. Uno dei motivi principali è la mancanza di strumenti in grado di mappare la biomeccanica del tessuto della placca neurale in situ e in tempo reale durante lo sviluppo dell’embrione.

Sono state sviluppate molte tecniche importanti per quantificare le proprietà meccaniche del tessuto embrionale13, che possono essere classificate approssimativamente in tre categorie: (1) tecniche basate sul contatto, inclusa la microscopia a forza atomica (AFM)14,15 o le rientranze basate su microcantilever11,16,17 per la misurazione del modulo di Young apparente su scala da nm a µm, aspirazione con micropipetta per misurare la tensione del tessuto su scala µm18 e test di trazione del tessuto su scala ~ mm19. Sebbene le tecniche basate sul contatto possano fornire una quantificazione diretta delle proprietà viscoelastiche del tessuto in condizioni quasi statiche o a bassa frequenza, richiedono l'accesso fisico al campione e l'applicazione di forza per deformare il campione durante la misurazione. Poiché il tessuto del tubo neurale ha una forma irregolare in 3D ed è interconnesso meccanicamente, sono solitamente necessari espianti isolati per test meccanici inequivocabili. (2) Sensori basati su microsfere/gocce, tra cui pinzette ottiche/magnetiche20,21 e microgocce22. La pinzetta ottica/magnetica utilizza sfere rigide guidate dalla forza (~ µm di diametro) per rilevare le proprietà reologiche del tessuto localizzato, mentre la microgoccia utilizza goccioline deformabili (4–80 µm di diametro) per quantificare lo stress del tessuto. Questi sensori possono misurare quantitativamente le proprietà meccaniche con risoluzione subcellulare o cellulare dopo un'attenta calibrazione. Tuttavia, richiedono l’iniezione di perline o goccioline nel tessuto, il che li rende invasivi e a bassa produttività. (3) Ablazione/dissezione del tessuto. Questo metodo utilizza un raggio laser pulsato ultraveloce10 o una lama23 per sezionare una porzione del tessuto e valutare la tensione del tessuto in base alla risposta di rilassamento. Questa è una tecnica interessante a causa della semplice configurazione. Tuttavia, a causa della connessione meccanica del tessuto embrionale in 3D, questo metodo fornisce principalmente una valutazione globale su una scala relativamente ampia (da ~ 100 µm a ~ mm). Per riassumere, i metodi esistenti possono quantificare vari aspetti delle proprietà meccaniche di cellule e tessuti con diverse scale spaziali e temporali e hanno notevolmente avanzato la valutazione della biomeccanica dei tessuti embrionali. Tuttavia, a causa delle limitazioni tecniche, non è stata riportata la mappatura meccanica in situ del tessuto della placca neurale durante la procedura di NTC negli embrioni vivi.