L' embriologia sperimentale è la branca dell'embriologia che consiste in manipolazioni ed esperimenti su embrioni al fine di aumentare le conoscenze sulla biologia evolutiva dello sviluppo . Le manipolazioni comunemente usate sugli embrioni sono variazioni di tre tecniche principali: taglio, incollaggio e colorazione. Inoltre, poiché gli embrioni sono molto sensibili allo stress, i ricercatori devono sviluppare capacità di micromanipolazione e avere una conoscenza approfondita dell'anatomia degli embrioni, del loro normale sviluppo e del loro allevamento. Tra i pionieri di questa disciplina ci sono Wilhelm Roux , Hans Spemann , Ross Harrison , Frank Lillie e Viktor Hamburger.
Fu durante il 1880 che l'embriologia sperimentale iniziò ad acquisire importanza. A quel tempo, era in Germania che abbiamo trovato il maggior numero di embriologi specializzati in questo nuovo ramo. A questa disciplina sono stati dati diversi nomi come "meccanica dello sviluppo" o "Entwicklungsmechanik" in tedesco, biomeccanica, fisiologia dello sviluppo e embriologia causale. Nel 1888, Wilhelm Roux condusse il suo esperimento di denaturazione blastomerica che servì come punto di partenza per il campo dell'embriologia sperimentale. Fin dall'inizio del XX ° secolo , Theodor Boveri ha dimostrato l'importanza di una serie completa di cromosomi al normale sviluppo osservando la morfologia del riccio di mare embrioni fecondati da più di uno spermatozoo. È giunto alla conclusione che i cromosomi sono la fonte del materiale genetico. Boveri ha anche condotto esperimenti di distruzione degli embrioni volti a distruggere le informazioni genetiche. La sua ricerca gli ha permesso di fornire la prova che le informazioni contenute nei cromosomi dipendono dal DNA intatto. Anche l'embriologia sperimentale ha giocato un ruolo importante nella scoperta dei principi del neurosviluppo dei vertebrati . Il lavoro di Hans Spemann in embriologia sperimentale nel 1924 portò alla scoperta che il sistema nervoso si sviluppa tra cellule vicine inducendo interazioni e alla scoperta dell'organizzatore Spemann-Mangold negli embrioni di anfibi. Fu grazie a queste scoperte che Hans Spemann vinse un premio Nobel nel 1935. Anche Ross Granville Harrison fu un pioniere in questo campo e fece diverse scoperte che hanno fatto avanzare la conoscenza in biologia. Pubblicò i suoi primi documenti in tedesco tra gli anni 1893 e 1895. Fu nel 1893 che tornò negli Stati Uniti, alla Johns Hopkins University e iniziò ad interessarsi maggiormente agli esperimenti sull'embriologia del sistema nervoso. Ha fatto vari esperimenti su embrioni di rana compresi i trapianti. Fu con gli embrioni di rana che riuscì a fare le prime colture di tessuti nel 1907. Le sue pubblicazioni sulle colture di tessuti hanno portato a ulteriori ricerche in oncologia, virologia, genetica e molti altri campi. I progressi nell'embriologia sperimentale delle piante sono stati molto più lenti rispetto all'embriologia animale. Ciò è in parte dovuto al fatto che gli embrioni vegetali sono più difficili da osservare ed estrarre rispetto a quelli degli animali. In effetti, sono bloccati nei tessuti dei genitori per tutta la loro vita embrionale, il che significa che sono nascosti.
L'embriologia sperimentale si basa su tre tecniche principali: taglio, incollaggio e colorazione. Queste tecniche e le loro variazioni sono ancora utilizzate oggi. La tecnica di taglio prevede la riduzione delle dimensioni o la rimozione completa di un tessuto, un gruppo di cellule o una singola cellula per verificare se la porzione tagliata è necessaria durante un evento di sviluppo chiave. Questa tecnica può essere utilizzata anche per isolare tessuti o cellule da utilizzare per altri test. La tecnica di legame prevede, da parte sua, un trapianto di tessuti o cellule da un embrione donatore a un embrione ospite. Questo può essere fatto quando i due embrioni si trovano nello stesso stadio di sviluppo o quando si trovano in diversi stadi di sviluppo. Inoltre, il trapianto può essere eseguito in un sito identico a quello dell'ospite o in un sito diverso ( ectopia ). Hans Spemann e Hilde Mangold hanno utilizzato questa manipolazione durante i loro esperimenti con embrioni di anfibi. Lo scopo della tecnica di colorazione è identificare una certa parte dell'embrione, delle cellule o anche un trapianto. Questa manipolazione prevede quindi l'utilizzo di marker come i coloranti per poter seguire il movimento delle cellule e il loro destino durante lo sviluppo. Negli ultimi anni, gli embriologi hanno avuto accesso a nuove tecnologie e conoscenze che consentono loro di fare ricerca su specie meno studiate e di eseguire nuove manipolazioni.
Gli embriologi che hanno studiato questo ramo hanno utilizzato principalmente quattro organismi vertebrati modello per comprendere meglio i principi dello sviluppo del sistema nervoso. Agli inizi, venivano utilizzati organismi vertebrati piuttosto "più primitivi" poiché sembravano più facili da maneggiare. Il campo dell'embriologia sperimentale si è poi rivolto a modelli più avanzati con l'obiettivo di acquisire conoscenze sullo sviluppo normale e anormale dell'embrione umano. Nel XIX ° secolo , embriologi con anfibi e durante l'inizio del XX ° secolo , hanno cominciato ad usare un warm-modello o il pulcino. Hanno anche usato topi, ma gli embrioni di questi sono meno accessibili poiché si sviluppano in un utero . Era verso la fine del XX ° secolo, hanno cominciato a usare embrioni di pesce zebra . Il vantaggio di questi è che sono trasparenti ed è facile generare mutazioni nei geni dello sviluppo con loro. Gli anfibi utilizzati all'inizio erano le rane ( Rana ) e le salamandre ( Ambystoma ) ma queste furono sostituite dalla rana Xenopus laevis .
Nel suo esperimento pionieristico di embriologia sperimentale, Wilhelm Roux denatura uno dei due blastomeri della rana Rana fusca usando un ago caldo. Il blastomero sinistro viene così ucciso dall'ago, ma quello destro rimane intatto e continua a segmentarsi . Il risultato è che metà delle strutture larvali sono formate dal blastomero intatto. Roux conclude che lo sviluppo delle cellule embrionali è predeterminato. Questo tipo di sviluppo osservato nelle rane è chiamato " sviluppo a mosaico " e si riscontra in molti altri taxa come il nematode Caenorhabditis elegans che è stato oggetto di numerosi studi.
Nel loro articolo pubblicato nel 1923, Hans Spemann e Hilde Mangold manipolano gli embrioni di tritone durante la fase di gastrulazione . Prendono un pezzo del labbro dorsale del blastopore dell'embrione gastrulante e poi lo trapiantano in un'altra regione di un altro embrione provocando la formazione di un embrione secondario. Si riferiscono a questo pezzo in questione come organizzatore (in seguito noto come organizzatore Spemann-Mangold ). Il labbro dorsale del blastopore trapiantato si differenzia in una notocorda circondata da somiti. Il tessuto embrionale ospite che si trova sopra il tessuto embrionale trapiantato si differenzia in una piastra neurale . L'embrione ospite finisce quindi con un embrione secondario che ha un sistema nervoso centrale primitivo proveniente dalla piastra neurale ottenuta per induzione. Con i loro risultati, dimostrano la capacità dell'organizzatore di essere in grado di dirigere lo sviluppo del tessuto dell'embrione ospite e quindi di dare un'organizzazione al suo ambiente.
Con l'embriologia sperimentale, è possibile seguire una cellula o un gruppo di cellule da una specifica regione dell'embrione e quindi determinare i fenotipi e le posizioni finali delle cellule figlie. Quindi possiamo fare una rappresentazione di ciò che diventeranno le cellule delle varie regioni dell'embrione durante il normale sviluppo dell'embrione. Questa è chiamata mappatura del destino cellulare. Osservando e manipolando gli embrioni, è anche possibile studiare il lignaggio che una singola cellula produrrà e i fenotipi risultanti. Per creare una mappa del destino cellulare o per tracciare il lignaggio di una cellula, l'embriologo sperimentale deve talvolta introdurre un marker nell'embrione. Tuttavia, questi due tipi di studi sugli embrioni non forniscono dati perfetti. Le mappe non consentono di dire esattamente se determinate cellule genereranno un certo tessuto o tipo di cellula. Ad esempio, le celle potrebbero non avere informazioni su cosa ne sarà di loro, ma possono comunque essere trascinate in un'altra posizione dove riceveranno istruzioni. Inoltre, sebbene lo studio del lignaggio di una cellula possa dimostrare quale fenotipo ha adottato una cellula, questo studio non ci consente di sapere quali altri fenotipi la cellula è in grado di adottare. È per queste ragioni che questi due tipi di studi sono piuttosto visti come lavori in corso che possono essere rivisti.