Experimentální embryologie je odvětví embryologie , která se skládá z manipulace a experimenty na embryích s cílem zvýšit znalosti o evoluční vývojové biologie . Manipulace běžně používané na embryích jsou variacemi tří hlavních technik: řezání, lepení a barvení. Vzhledem k tomu, že embrya jsou velmi citlivá na stres, musí vědci rozvíjet dovednosti v mikromanipulaci a mít hluboké znalosti anatomie embryí, jejich normálního vývoje a chovu. Mezi průkopníky této disciplíny patří Wilhelm Roux , Hans Spemann , Ross Harrison , Frank Lillie a Viktor Hamburger.
V 80. letech 19. století začala nabývat na důležitosti experimentální embryologie. V té době jsme našli v Německu nejvíce embryologů specializujících se na toto nové odvětví. Tato disciplína dostala několik jmen, například „vývojová mechanika“ nebo „Entwicklungsmechanik“ v němčině, biomechanika, vývojová fyziologie i kauzální embryologie. V roce 1888 provedl Wilhelm Roux svůj blastomerní denaturační experiment, který sloužil jako výchozí bod pro oblast experimentální embryologie. Od počátku XX th století , Theodor Boveri ukázala význam úplnou sadu chromozomů pro normální vývoj tím, že sleduje morfologii ježovek embryí oplodněných více než jednou spermií. Došel k závěru, že chromozomy jsou zdrojem genetického materiálu. Boveri také provedl experimenty s narušením embryí zaměřené na zničení genetické informace. Jeho výzkum mu umožnil poskytnout důkazy o tom, že informace obsažené v chromozomech závisí na neporušené DNA . Experimentální embryologie také hrála velkou roli při objevování principů neurového vývoje obratlovců . Práce Hanse Spemanna v experimentální embryologii v roce 1924 vedla k objevu, že nervový systém se vyvíjí mezi sousedními buňkami indukováním interakcí a objevení organizátora Spemann-Mangold v embryích obojživelníků. Díky těmto objevům získal Hans Spemann v roce 1935 Nobelovu cenu . Ross Granville Harrison byl také průkopníkem v této oblasti a učinil několik objevů, které rozšířily znalosti v biologii. V letech 1893 až 1895 publikoval své první dokumenty v němčině. Bylo to v roce 1893, kdy se vrátil do Spojených států, na univerzitu Johns Hopkins University a začal se více zajímat o experimenty s embryologií systému. Provedl různé experimenty na žabích embryích včetně transplantací. Právě u embryí žab se mu podařilo v roce 1907 vytvořit první tkáňové kultury. Jeho publikace o tkáňové kultuře vedly k dalšímu výzkumu v onkologii, virologii, genetice a mnoha dalších oborech. Pokrok v experimentální embryologii rostlin byl mnohem pomalejší než v embryologii zvířat. To je částečně způsobeno skutečností, že rostlinná embrya jsou těžší pozorovatelná a extrahovatelná než embrya zvířat. Ve skutečnosti jsou po celou dobu svého embryonálního života uzamčeni v rodičovských tkáních, což znamená, že jsou skrytí.
Experimentální embryologie je založena na třech hlavních technikách: stříhání, lepení a barvení. Tyto techniky a jejich variace se používají dodnes. Technika řezání zahrnuje zmenšení velikosti nebo úplné odstranění tkáně, skupiny buněk nebo jedné buňky, aby se ověřilo, zda je část řezu vyžadována během klíčové vývojové události. Tuto techniku lze také použít k izolaci tkání nebo buněk a jejich použití pro jiné testy. Technika vazby zahrnuje transplantaci tkání nebo buněk z dárcovského embrya do hostitelského embrya. Toho lze dosáhnout, když jsou obě embrya ve stejné fázi vývoje nebo když jsou v různých fázích vývoje. Transplantaci lze také provést na místě identickém s hostitelem nebo na jiném místě ( ektopie ). Hans Spemann a Hilde Mangold použili tuto manipulaci během svých experimentů s embryi obojživelníků. Účelem barvicí techniky je identifikovat určitou část embrya, buněk nebo dokonce transplantace. Tato manipulace proto zahrnuje použití markerů, jako jsou barviva, aby bylo možné během vývoje sledovat pohyb buněk a jejich osud. V posledních letech měli embryologové přístup k novým technologiím a znalostem, které jim umožnily provádět výzkum méně studovaných druhů a provádět nové manipulace.
Embryologové, kteří zkoumali tuto větev, použili hlavně čtyři modelové organismy obratlovců, aby lépe porozuměli principům vývoje nervového systému. Na začátku to byly spíše „primitivnější“ organismy obratlovců, které se používaly, protože se zdálo, že se s nimi snáze zachází. Pole experimentální embryologie se poté obrátilo k pokročilejším modelům s cílem získat znalosti o normálním a abnormálním vývoji lidského embrya. V XIX th století , embryologové pomocí obojživelníků a během začátku XX th století , začali používat zahřívací model nebo kuře. Používali také myši, ale jejich embrya jsou méně přístupná, protože se vyvíjejí v děloze . To bylo ke konci XX tého století začali používat embrya danio pruhované . Výhodou je, že jsou transparentní a je s nimi snadné generovat mutace ve vývojových genech . Obojživelníky používané na začátku byly žáby ( Rana ) a mloky ( Ambystoma ), ale ty byly nahrazeny žábou Xenopus laevis .
Ve svém průkopnickém experimentu v experimentální embryologii Wilhelm Roux denaturoval pomocí horké jehly jeden ze dvou blastomerů žáby Rana fusca. Levá blastoméra je tedy zabita jehlou, ale pravá zůstává neporušená a pokračuje v segmentaci . Výsledkem je, že polovina larválních struktur je tvořena intaktní blastomérou. Roux dochází k závěru, že vývoj embryonálních buněk je předem určen. Tento druh vývoje pozorovaný u žab se nazývá „ vývoj mozaiky “ a vyskytuje se v několika dalších taxonomech , jako je hlístice Caenorhabditis elegans, která byla předmětem mnoha studií.
Ve svém článku publikovaném v roce 1923 manipulují Hans Spemann a Hilde Mangold během fáze gastrulace s mločími embryi . Berou kus hřbetní břit z gastrulating embrya blastopore a transplantaci do jiné oblasti jiného embrya způsobí sekundární embryo na formu. O tomto díle hovoří jako o organizátorovi (později známém jako organizátor Spemann-Mangold ). Hřbetní ret blastoporu, který byl transplantován, se diferencuje na notochord obklopený somity. Hostitelská embryonální tkáň, která se nachází na vrcholu transplantované embryonální tkáně, se diferencuje na neurální ploténku . Hostitelské embryo pak končí sekundárním embryem, které má primitivní centrální nervový systém pocházející z neurální ploténky získané indukcí. Svými výsledky prokazují schopnost organizátora být schopen řídit vývoj tkáně hostitelského embrya a tím dát organizaci jeho prostředí.
Při experimentální embryologii je možné sledovat buňku nebo skupinu buněk ze specifické oblasti embrya a poté určit konečné fenotypy a polohy dceřiných buněk. Můžeme tedy znázornit, čím se buňky různých oblastí embrya stanou během normálního vývoje embrya. Tomu se říká mapování buněčného osudu. Pozorováním a manipulací s embryi je také možné studovat linii, kterou bude jednotlivá buňka produkovat, a výsledné fenotypy. Chcete-li vytvořit mapu buněčného osudu nebo sledovat linii buněk, musí experimentální embryolog někdy do embrya vložit značku. Tyto dva typy studií embryí však neposkytují dokonalá data. Mapy neumožňují přesně říci, zda určité buňky vytvoří určitou tkáň nebo typ buňky. Například buňky nemusí mít informace o tom, co se s nimi stane, ale stále je lze přetáhnout na jiné místo, kde obdrží pokyny. Navíc, ačkoliv studium rodové linie buňky může prokázat, jaký fenotyp si buňka osvojila, tato studie neumožňuje zjistit, jaké další fenotypy je buňka schopna přijmout. Z těchto důvodů jsou tyto dva typy studií spíše považovány za rozpracované, které lze revidovat.