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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 263 (2023) Citar este artigo

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O fechamento do tubo neural (NTC) é um processo complexo de desenvolvimento embrionário envolvendo mecanismos moleculares, celulares e biomecânicos. Embora os fatores genéticos e a sinalização bioquímica tenham sido extensivamente investigados, o papel da biomecânica dos tecidos permanece inexplorado devido à falta de ferramentas. Aqui, desenvolvemos uma modalidade óptica que pode conduzir imagens mecânicas de lapso de tempo do tecido da placa neural enquanto o embrião está passando por neurulação. Esta técnica é baseada na combinação de um microscópio confocal Brillouin e uma cultura ex ovo modificada de embrião de galinha com uma incubadora no palco. Com esta técnica, pela primeira vez, capturamos a evolução mecânica do tecido da placa neural com embriões vivos. Especificamente, observamos o aumento contínuo do módulo tecidual da placa neural durante o NTC para embriões cultivados ex ovo, o que é consistente com os dados da cultura in ovo, bem como de estudos anteriores. Além disso, descobrimos que o aumento do módulo do tecido estava altamente correlacionado com o espessamento e a curvatura do tecido. Prevemos que esta técnica sem contato e sem marcação abrirá novas oportunidades para entender os mecanismos biomecânicos no desenvolvimento embrionário.

O fechamento do tubo neural (NTC) é um procedimento central da neurulação de vertebrados, onde a placa neural plana será elevada e fundida para formar um tubo neural oco. Uma falha neste procedimento pode resultar em graves defeitos do tubo neural, que representam um dos defeitos congênitos humanos mais comuns1. Os processos genéticos e moleculares que orientam o NTC têm sido extensivamente estudados por muitas décadas2,3,4. Por outro lado, os mecanismos biomecânicos que podem estar envolvidos no NTC estão atraindo atenção crescente nos últimos anos5,6,7. Nos níveis celular e tecidual, a morfogênese do tubo neural pode ser considerada como resultado da interação entre a força gerada e a resistência mecânica do tecido embrionário8,9: o fechamento bem-sucedido do tubo neural requer que a força intrínseca possa superar a tensão tecidual oposta que depende de sua propriedade elástica. Assim, a alteração da biomecânica tecidual pode causar falha no fechamento e, consequentemente, malformação do tubo neural10. Embora a produção de força e a mudança mecânica do tecido durante o procedimento de NTC tenham sido observadas em experimentos10,11,12, a contribuição quantitativa de processos biomecânicos específicos para garantir uma neurulação robusta permanece desconhecida. Um dos principais motivos é a falta de ferramentas que possam mapear a biomecânica do tecido da placa neural in situ e em tempo real quando o embrião está se desenvolvendo.

Muitas técnicas importantes foram desenvolvidas para quantificar as propriedades mecânicas do tecido embrionário13, que podem ser aproximadamente classificadas em três categorias: (1) técnicas baseadas em contato, incluindo microscopia de força atômica (AFM)14,15 ou microcantilever11,16,17 indentações baseadas para medir o módulo aparente de Young na escala nm a µm, aspiração de micropipeta para medir a tensão do tecido na escala µm18 e teste de tração do tecido na escala ~ mm19. Embora as técnicas baseadas em contato possam fornecer quantificação direta das propriedades viscoelásticas do tecido em condições quase estáticas ou de baixa frequência, elas precisam de acesso físico à amostra e precisam aplicar força para deformar a amostra durante a medição. Como o tecido do tubo neural tem forma irregular em 3D e é mecanicamente interconectado, geralmente são necessários explantes isolados para testes mecânicos inequívocos. (2) Sensores baseados em contas/gotas, incluindo pinças ópticas/magnéticas20,21 e microgotas22. A pinça óptica/magnética usa grânulos rígidos acionados por força (~ µm de diâmetro) para detectar as propriedades reológicas do tecido localizado, e a microgotícula usa gotículas deformáveis ​​(4–80 µm de diâmetro) para quantificar o estresse do tecido. Esses sensores podem medir quantitativamente as propriedades mecânicas com resolução subcelular ou celular após calibração cuidadosa. No entanto, requerem a injeção de grânulos ou gotículas no tecido, tornando-os invasivos e de baixo rendimento. (3) Ablação/dissecção de tecido. Esse método usa um feixe de laser pulsado ultrarrápido10 ou uma lâmina23 para dissecar uma porção do tecido e avaliar a tensão do tecido com base na resposta de relaxamento. Esta é uma técnica atraente devido à configuração simples. No entanto, devido à conexão mecânica do tecido embrionário em 3D, este método fornece principalmente avaliação global em uma escala relativamente grande (tamanho ~ 100 µm a ~ mm). Para resumir, os métodos existentes podem quantificar vários aspectos das propriedades mecânicas da célula e do tecido com diferentes escalas espaciais e temporais e avançaram muito na avaliação da biomecânica do tecido embrionário. No entanto, devido às limitações técnicas, o mapeamento mecânico in situ do tecido da placa neural durante o procedimento de NTC em embriões vivos não foi relatado.