O desenvolvimento de alvéolos em organóides derivados do tecido da glândula mamária segue os mesmos princípios físicos da formação de gotículas discretas em um jato de água.

Muitos dos sistemas de órgãos encontrados em animais exibem estruturas altamente complexas, que são essenciais para as suas várias funções. Como essas estruturas se desenvolvem durante o desenvolvimento embrionário é uma questão central na biologia. Físicos liderados por Erwin Frey (Professor de Física Estatística e Biológica na LMU Munique) e Andreas Bausch (Professor de Biofísica Celular na Universidade Técnica de Munique) investigaram este problema fundamental usando mini-órgãos denominados organoides como seu sistema experimental. A equipe se concentrou nos 'alvéolos' esféricos nos quais os dutos da glândula mamária em lactação terminam. O estudo demonstrou em detalhes que esses alvéolos se formam de acordo com os mesmos princípios que as gotículas de um jato d'água saindo de uma mangueira.

O trabalho experimental foi realizado no laboratório de Bausch e utilizou organóides da glândula mamária cultivados em cultura a partir de tecido humano excisado. Os organóides são sistemas de modelos tridimensionais que exibem muitas das propriedades fisiologicamente relevantes do órgão de onde se originaram. Assim, organóides da glândula mamária formam dutos que se ramificam em grupos de estruturas semelhantes a tubos menores, cada um dos quais termina em um saco esférico ou alvéolo. Esta arquitetura é típica da glândula mamária humana em lactação, mas também é encontrado em muitos outros órgãos, incluindo o pulmão. Bausch e seu grupo conseguiram pela primeira vez acompanhar a dinâmica de crescimento dos miniorgãos ao longo de vários dias por meio de microscopia de lapso de tempo. Além disso, eles investigaram a resposta micromecânica do tecido em desenvolvimento ao localizado, ablação de células induzida por laser.

Usando essa estratégia, os pesquisadores conseguiram vincular a formação dos alvéolos esféricos a uma mudança na direção do movimento das células no tecido em desenvolvimento. As células em cada túbulo estão em constante movimento, puxando seus vizinhos imediatos. Inicialmente, eles migram coletivamente para frente e para trás ao longo das paredes dos túbulos. "Mas em algum ponto, as células nas pontas dos túbulos começam a seguir um curso rotacional. Esta mudança de comportamento, associado às interações entre células vizinhas, em seguida, se propaga posteriormente até que todas as células perto da ponta de um galho comecem a girar como um coletivo, "diz Andriy Goychuk, membro do grupo de pesquisa de Erwin Frey e co-primeiro autor da publicação. Seus colegas Pablo Fernandez e Benedikt Buchmann do grupo de Andreas Bausch, que realizou os experimentos de ablação, explique o que acontece da seguinte maneira. “As células não exercem mais a mesma força em todas as direções, o que resulta em uma alteração em suas trajetórias. Enquanto as células que alternam entre o movimento para frente e para trás exercem mais força na direção do eixo do tubo do que em torno de sua circunferência, isso não é mais o caso para as células que seguem um curso de rotação. Graças à maior tensão de tração ao longo da circunferência, a ponta de cada tubo se desenvolve em uma saliência esférica. "

De acordo com os autores, o modo de formação das saliências esféricas é análogo ao mecanismo responsável pela formação de gotas em um jato de água. Como as células do organoide em desenvolvimento, a superfície do jato de água está sob tensão. Todos os objetos sujeitos a uma força de tração tentam minimizar sua superfície. Uma vez que a área da superfície de uma esfera é menor do que a de um cilindro, o jato de água se quebra em gotículas discretas - e no tecido da glândula mamária, a rotação das células principais altera o equilíbrio de forças nos ramos tubulares de tal forma que eles se tornam instáveis, como no caso do jato de água, e formar saliências esféricas. "Este modelo teórico fornece uma estrutura importante para a análise de transformações geométricas mais complicadas em tecidos biológicos - como as que ocorrem durante o desenvolvimento das glândulas salivares, o pâncreas, o rim e o pulmão, "diz Frey.