Em aproximadamente 48 horas, a única célula do ovo fertilizado da rã passará por mudanças dramáticas para desenvolver partes vitais do corpo, como músculos, um esqueleto, olhos, um coração, e uma cauda de girino. Os cientistas têm estudado esse processo para entender melhor o desenvolvimento humano, defeitos de nascença, e câncer e para promover tecnologias como a geração de organoides e a terapia de reposição celular. Os cientistas podem atrapalhar o desenvolvimento do embrião, faça uma pausa, e acelerá-lo; Contudo, eles não podem explicar exatamente como o desenvolvimento funciona. Apoiado pelo National Institutes of Health (NIH), bioengenheiros da Universidade de Pittsburgh estão tentando entender o que está acontecendo dentro do ovo.

O Departamento de Saúde e Serviços Humanos do NIH premiou Lance Davidson, professor de bioengenharia da Pitt's Swanson School of Engineering, $ 1, 327, 207 para seu estudo "Biomecânica da Morfogênese". Dr. Davidson, que dirige o Laboratório MechMorpho na Universidade de Pittsburgh, visa fazer uma abordagem do engenheiro estrutural à biomecânica do desenvolvimento de embriões.

Os pesquisadores da Pitt estão fazendo engenharia reversa dos processos mecânicos que moldam o plano básico do corpo e o desenvolvimento dos órgãos em embriões, usando testes, técnicas, e ferramentas mais prováveis ​​de serem encontradas em um laboratório de engenharia mecânica do que em um laboratório de genética molecular.

"Se você viu uma ponte pela primeira vez, como você descobriria que funcionava? ", pergunta o Dr. Davidson." Um geneticista pode explodi-lo em pedaços e analisar como cada peça funciona, mas um engenheiro olharia para o conjunto, fazer medições de força e movimento. Eles colocariam mais peso nisso e veriam quando quebraria. Estamos aplicando esses princípios de análise estrutural para compreender os embriões. "

Nos laboratórios próximos, pesquisadores trabalham com ratos, moscas da fruta, peixe-zebra, e ratos. No laboratório do Dr. Davidson, há Xenopus - um sapo nativo da África subsaariana. As rãs são ideais para a pesquisa do Dr. Davidson porque seus embriões e tecidos são incrivelmente tolerantes às condições de laboratório e resistentes ao 'toque' de um engenheiro. Mesmo depois de removê-los de suas conchas protetoras, induzindo defeitos genéticos, ou injetar traçadores de proteínas fluorescentes, essas rãs não coaxam.

"Usamos sapos porque você pode extrair tecidos com muita facilidade, e eles continuarão a crescer corretamente, “O Dr. Davidson diz.“ O olho ou o cérebro de uma rã podem ser isolados e continuarão a crescer em uma placa de Petri. Isso não acontecerá com um rato ou peixe. Quando a camada externa de um embrião não anfíbio é cortada, o embrião não manterá sua estrutura. Embriões de sapo são mais parecidos com Play-doh, você pode cortar e colar tecidos e remodelá-los, embora o Play-doh ainda seja muito mais rígido do que esses embriões. "

Os ovos de rã começam do tamanho da ponta de um lápis. Em um campo de estudo que é usado para acomodar vigas de aço ou medições de concreto armado, O grupo do Dr. Davidson precisa ser criativo com as ferramentas que usa.

"Para realizar microcirurgia em embriões de sapo, usamos um bisturi feito de cabelo de sobrancelha humana e uma laçada de cabelo de bebê, "diz o Dr. Davidson." Os embriões são minúsculos, molhado, e macio; Contudo, eles ainda obedecem aos mesmos princípios de forma de aço ou madeira. "

"Um engenheiro civil ou mecânico pode regularmente realizar testes aplicando dez milhões de pascais de estresse, "ele continua. Dez milhões de pascal é a quantidade de pressão da água que sai de uma lavadora de alta pressão, e um pascal é sobre quanta pressão um único pedaço de papel exerce sobre a mesa. “Temos que projetar ferramentas especiais que podem aplicar e medir tensões entre cinco a 20 pascais. Você não pode simplesmente pedir algo como da Amazon, então improvisamos em nosso laboratório para projetar e fabricar equipamentos personalizados para nossas necessidades. "

Ao estudar a mecânica da morfogênese - o processo de mudança de forma de um embrião - o dr. Davidson espera desenvolver uma ferramenta que proporcione aos bioengenheiros uma compreensão muito maior e controle sobre a automontagem do tecido.

"Muitos campos de engenharia têm algum tipo de software ou ferramenta de simulação que pode adivinhar seus projetos antes de realmente começarem a construir. Estamos desenvolvendo algo semelhante para engenheiros de tecidos para que eles não tenham que depender de tentativa e erro o tempo todo , "explica o Dr. Davidson.

Testes de fluência, mapas de deformações, e microaspiração são técnicas de engenharia empregadas pela equipe do Dr. Davidson para compreender a mecânica subjacente da morfogênese. Essas rãs podem não se transformar em príncipes tão cedo, mas a partir de uma pequena bola de células, o embrião pode se transformar em um girino estruturalmente complexo com órgãos funcionais.

"No decorrer de um estudo, quase por acidente, observamos dois conjuntos de ovos, um conjunto começando com cerca de duas vezes o tamanho do outro. Observamos os embriões se desenvolverem lado a lado. Por causa da diferença de tamanho inicial, esperávamos ver muitas deformidades estruturais ou, pelo menos, que os girinos ficassem com o dobro do tamanho. Para nossa surpresa, muitos dos embriões de 'ovo grande' sobreviveram e seus girinos cresceram até o mesmo tamanho que os girinos de 'ovo pequeno', de alguma forma conseguindo se autocorrigir enquanto se desenvolviam, "Dr. Davidson diz.

Em um momento em que a engenharia de tecidos está se tornando cada vez mais útil em terapias de medicina regenerativa, O Dr. Davidson estima que existam apenas cerca de cinco ou seis outros grupos no mundo fazendo medições de propriedades materiais no tecido vivo de vertebrados como sapos. Com base em sua pesquisa e combinando-a com os resultados de um estudo financiado pelo NIH em 2016 "Mechanical Control of Mesenchymal-to-Epithelial Transition, "ele continuará a desenvolver a mecânica do tecido em crescimento.