Computermodel voorspelt de groei van organen

De onderzoekgroep van Jacco van Rheenen heeft in samenwerking met de groep van Benjamin Simons uit Cambridge een model ontwikkeld dat de groei van complexe vertakkende organen kan voorspellen. Dit model, bestaand uit slechts drie simpele regels, laat verrassend zien dat een gradiënt van groeifactoren niet nodig is om de groei en vorm van deze organen te reguleren. De onderzoekers hebben hun resultaten op 21 september gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell.

Vertakte netwerken van buisjes
Om leven van complexe organismen mogelijk te maken, is het noodzakelijk voor ieder organisme om gassen en vloeistoffen te kunnen uitwisselen met de omgeving. Om dit zo efficiënt mogelijk te doen, hebben grotere organismen, zoals zoogdieren, verschillende strategieën ontwikkeld om het oppervlak van de organen die afvalstoffen afvoeren of voedingsstoffen opnemen te vergroten. Een van die strategieën is het vertakken van het uitwisselingsoppervlak. Deze strategie wordt gebruikt in de longen, nieren, prostaat, lever, alvleesklier, het vaatsysteem en de borstklieren. Al deze organen zijn opgebouwd uit vertakte boom-achtige structuren van buisjes.

Splitsen en verlengen
Uit eerder onderzoek van de bovengenoemde onderzoeksgroepen, gepubliceerd eerder dit jaar in het tijdschrift Nature (link naar artikel), bleek al dat de vertakte structuren van borstweefsel en nieren worden gevormd door vele cycli waarin de uiteindes van de buisjes splitsen en verlengen. Echter, wannéér deze splitsingen plaatsvinden, blijkt willekeurig te zijn. Dit leidt tot een grote variëteit in het vertakkingspatroon. Hoe de vertakkingen er precies uit komen te zien lijkt niet vooraf vast te staan.

Grote hoeveelheden biologische data
Om de vertakkingspatronen beter te begrijpen hebben de auteurs grote hoeveelheden biologische data verzameld over de opbouw van deze vertakte netwerken in de borstklieren en de nieren van de muis, en in de menselijke prostaat. Vervolgens hebben de onderzoekers een computermodel ontwikkeld dat de structuur van deze vertakte netwerken voorspelt op basis van een aantal uniforme regels.

Computer model voor vertakte netwerken
Het bleek dat een verrassend simpel model, geïnspireerd op de theorie van BARWs (branching and annihilation random walks), de opbouw van de vertakte netwerken goed kon voorspellen. Het model heeft maar drie regels: 1. buisjes verlengen vanuit een actief uiteinde met een vaste snelheid in een willekeurige richting; 2. op elk moment kan een buisje splitsen, de kans dat dit gebeurt is constant hetzelfde; 3. een buisje stopt met groeien door inactivatie van het uiteinde wanneer het binnen een bepaalde afstand van een ander buisje komt.

Verrassende conclusie
Voorheen dacht men dat er een gradiënt van een groeifactor nodig was om de groei en vorm van deze organen te reguleren. Een verrassende conclusie die volgt uit het ontwikkelde model toont aan dat zo’n gradiënt niet nodig is; de drie geformuleerde regels zijn genoeg om de groei van deze organen accuraat te voorspellen.

Ontstaan van ziektes
Kennis over de groei van deze organen leert ons niet alleen meer over de ontwikkeling van gezonde organen maar ook over het ontstaan van ziektes zoals kanker.

Prof. dr. Jacco van Rheenen is groepsleider bij het Hubrecht Instituut (KNAW) en Professor Intravital Microsopy bij het Universitair Medisch Centrum Utrecht.

A unifying theory of branching morphogenesis
Cell 2017