在大約48小時內(nèi)，受精青蛙卵的單細胞將經(jīng)歷巨大變化，以發(fā)展重要的身體部位，如肌肉，骨骼，眼睛，心臟和蝌蚪尾巴。科學(xué)家們一直在研究這一過程，以更好地了解人類發(fā)育，先天缺陷和癌癥，并推進類器官生成和細胞替代療法等技術(shù)?？茖W(xué)家們可以破壞胚胎發(fā)育，暫停胚胎發(fā)育并加速胚胎發(fā)育;但是，它們無法準(zhǔn)確解釋開發(fā)的工作原理。在美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的支持下，匹茲堡大學(xué)的生物工程師正在努力了解雞蛋內(nèi)部的情況。

美國國立衛(wèi)生研究院健康與人類服務(wù)部授予皮特斯旺森工程學(xué)院生物工程學(xué)教授Lance Davidson 1,327,207美元，用于他的研究“形態(tài)發(fā)生的生物力學(xué)”。戴維森博士是匹茲堡大學(xué)MechMorpho實驗室的負責(zé)人，他的目標(biāo)是采用結(jié)構(gòu)工程師的方法來研究胚胎發(fā)育的生物力學(xué)。

皮特研究人員正在使用測試，技術(shù)和工具對機體過程進行逆向工程，這些機械過程利用機械工程實驗室中比分子遺傳學(xué)實驗室更有可能找到的測試，技術(shù)和工具來塑造胚胎的基本身體計劃和器官發(fā)育。

“如果你第一次看到一座橋，你怎么能發(fā)現(xiàn)它有用呢?”戴維森博士問道。“一個遺傳學(xué)家可能把它炸成碎片并分析每件作品是如何工作的，但是工程師會看一下整體，測量力和運動。他們會更加重視它，看看它何時斷裂。我們正在應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)分析理解胚胎的原則。“

在周圍的實驗室中，研究人員使用小鼠，果蠅，斑馬魚和老鼠。在戴維森博士的實驗室中，有非洲爪蟾 - 一種原產(chǎn)于撒哈拉以南非洲的青蛙。青蛙非常適合戴維森博士的研究，因為他們的胚胎和組織非常容忍實驗室條件，能夠適應(yīng)工程師的“觸摸”。即使將它們從保護殼中移除，誘導(dǎo)遺傳缺陷或注入熒光蛋白示蹤劑，這些青蛙也不會呱呱叫。

戴維森博士說：“我們使用青蛙，因為你可以很容易地提取組織，它們將繼續(xù)正常生長。”“青蛙的眼睛或大腦可以被隔離，并將繼續(xù)在培養(yǎng)皿中生長。用小鼠或魚不會發(fā)生這種情況。當(dāng)非兩棲動物胚胎的外層被切斷時，胚胎將無法維持結(jié)構(gòu)。青蛙胚胎更像Play-doh，你可以剪切和粘貼組織并重新塑造它們，盡管Play-doh仍比這些胚胎硬得多。“

青蛙蛋開始大約是鉛筆尖的大小。在用于調(diào)節(jié)鋼梁或鋼筋混凝土測量的研究領(lǐng)域，戴維森博士的團隊必須使用他們使用的工具發(fā)揮創(chuàng)造力。

戴維森博士說：“為了對青蛙胚胎進行顯微手術(shù)，我們使用由人類眉毛制成的手術(shù)刀和由嬰兒頭發(fā)制成的毛圈。”“胚胎微小，潮濕，柔軟;然而，它們?nèi)匀蛔裱摶蚰静南嗤男螤钤瓌t。”

“一位民用或機械工程師可能會定期進行一千萬次施加壓力的測試，”他繼續(xù)道。一千萬帕斯卡是關(guān)于從高壓清洗機出來的水壓量，一個帕斯卡是關(guān)于一張紙在桌面上施加多大的壓力。“我們必須設(shè)計出能夠應(yīng)用和測量5至20帕斯卡之間壓力的特殊工具。您不僅可以訂購亞馬遜的產(chǎn)品，還可以在我們的實驗室中根據(jù)自己的需求設(shè)計和制造定制設(shè)備。”

通過研究形態(tài)發(fā)生的機制 - 胚胎改變形狀的過程 - 博士。戴維森希望開發(fā)一種工具，使生物工程師能夠更好地理解和控制組織自組裝。

“許多工程領(lǐng)域都有某種軟件或模擬工具，可以在實際開始構(gòu)建之前對其設(shè)計進行猜測。我們正在為組織工程師開發(fā)類似的東西，這樣他們就不必一直依賴于試驗和錯誤。 ，“戴維森博士解釋道。

蠕變測試，應(yīng)變圖和微吸入是戴維森博士團隊使用的所有工程技術(shù)，用于理解形態(tài)發(fā)生的潛在機制。這些青蛙可能不會很快變成王子，但是從一個細小的細胞球中，胚胎可以塑造成一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蝌蚪，帶有工作器官。

“在一項研究過程中，非常偶然地，我們觀察到兩組蛋，一組開始大約是另一組的兩倍。我們觀察到胚胎并排發(fā)展。由于最初的大小差異，我們預(yù)計看到很多結(jié)構(gòu)畸形或至少蝌蚪出現(xiàn)兩倍大。令我們驚訝的是，許多“大蛋”胚胎幸存下來，它們的蝌蚪長到與“小蛋”蝌蚪相同的大小，不知何故設(shè)法戴維森博士說，他們在發(fā)展過程中會自我糾正。

在組織工程在再生醫(yī)學(xué)治療中變得越來越有用的時候，戴維森博士估計，世界上只有大約五六個其他組在脊椎動物的活組織中進行材料特性測量，如青蛙。在他的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合2016年美國國立衛(wèi)生研究院資助的“間充質(zhì) - 上皮細胞過渡的機械控制”研究結(jié)果，他將繼續(xù)充實組織生長的機制。