las células estructuras tridimensionales complejas
La forma de las cosas. Los investigadores descubren un mecanismo que explica cómo los tejidos forman formas complejas
Desde los tubos lisos de nuestras arterias y venas hasta los bolsillos texturados de nuestros órganos internos, nuestros cuerpos están hechos de tejidos dispuestos en formas complejas que ayudan a realizar funciones específicas.
Pero, ¿cómo se pliegan las células con tanta precisión en configuraciones tan complicadas durante el desarrollo? ¿Cuáles son las fuerzas fundamentales que impulsan este proceso?
Ahora, investigadores de la Harvard University han descubierto un proceso mecánico mediante el cual láminas de células se transforman en los delicados canales semicirculares del oído interno.
Publicado el 22 de diciembre en Cell , la investigación , realizada en pez cebra, revela que el proceso involucra una combinación de ácido hialurónico, producido por células, que se hincha con agua, y conectores delgados entre las células que dirigen la fuerza de esta hinchazón para dar forma al tejido. .
Aunque se llevó a cabo en pez cebra, el trabajo revela un mecanismo básico de cómo los tejidos toman formas, uno que probablemente se conserve en los vertebrados, dicen los investigadores, y que también puede tener implicaciones para la bioingeniería.
Un modelo de transparencia
El autor principal del estudio, Sean Megason , profesor de biología de sistemas en el Instituto Blavatnik del HMS, y su equipo estudian cómo las células se convierten en estructuras tridimensionales complejas. Para abordar esta cuestión, recurrieron a un organismo modelo clásico e ideal: el pez cebra.
«Son transparentes, así que simplemente los colocamos bajo un microscopio y observamos todo este proceso desde una sola célula hasta una larva que puede nadar y tiene todas sus partes», explicó el primer autor del estudio, Akankshi Munjal , quien realizó la investigación como investigador postdoctoral en HMS y ahora es profesor asistente de biología celular en la Universidad de Duke. Las células estructuras tridimensionales complejas
Estas partes incluyen los canales semicirculares, tres tubos llenos de líquido en el oído interno que son necesarios para el equilibrio y la orientación en el espacio. Se sabe poco sobre cómo se forman los canales semicirculares, en parte porque en muchas especies están oscurecidos por el oído medio y externo. En el pez cebra, sin embargo, los canales se encuentran cerca de la superficie, lo que permite a los investigadores observar cómo se desarrollan bajo un microscopio.
«Esta fue una oportunidad emocionante para nosotros de ver cómo se forma un órgano tridimensional a partir de una simple hoja de células», dijo Munjal. «Podríamos mirar el oído interno del embrión con total accesibilidad».
“El oído interno es un modelo de cómo las células trabajan juntas para crear estructuras complejas que son necesarias para que los organismos funcionen”, agregó Megason. «Entramos en él pensando que era una estructura hermosa, pero sin saber lo que íbamos a encontrar». Las células estructuras tridimensionales complejas
Lo que encontraron los sorprendió.
El pensamiento convencional es que las proteínas actina y miosina actúan como pequeños motores dentro de las células, empujándolas y tirando de ellas en diferentes direcciones para doblar un tejido en una forma específica. Sin embargo, los investigadores descubrieron que los canales semicirculares del pez cebra se forman a través de un proceso marcadamente diferente. Durante el desarrollo, las células producen ácido hialurónico, que quizás sea el más conocido como agente antiarrugas en los productos de belleza. Una vez en la matriz extracelular, el ácido se hincha, como un pañal en una piscina. Esta hinchazón crea suficiente fuerza para mover físicamente las células cercanas, pero dado que la presión es la misma en todas las direcciones, los investigadores se preguntaron cómo el tejido termina estirándose en una dirección y no en otra para formar una forma alargada.
“Es como si pusieras un corsé en un globo de agua y lo deformaras en una estructura alargada”, dijo Munjal. Esta combinación de hinchazón y ceñido da forma progresivamente a una hoja inicialmente plana de células en tubos.
“Nuestro trabajo muestra una nueva forma de hacer las cosas”, dijo Megason, y agregó que espera que anime a las personas a considerar mecanismos adicionales que pueden estar involucrados en la configuración de los tejidos. «Las células tienen que usar muchas fuerzas diferentes para lograr lo que necesitan, y el tiempo dirá exactamente cuál es el equilibrio entre los enfoques moleculares de la actina y la miosina y los enfoques más físicos de la presión».
Su descubrimiento probablemente tenga implicaciones más amplias, agregaron Megason y Munjal.
Los genes que controlan la producción de ácido hialurónico en los canales semicirculares del pez cebra también están presentes en los canales semicirculares de los mamíferos, lo que sugiere que puede estar ocurriendo un proceso similar. Además, el ácido hialurónico se encuentra en múltiples partes del cuerpo humano, incluida la piel y las articulaciones, lo que indica que puede desempeñar un papel en la formación de muchos tejidos y órganos, una vía para la investigación futura. Las
células estructuras tridimensionales complejas
Las celulas estructuras tridimensionales complejas1Si ese resulta ser el caso, entonces el estudio de los genes involucrados en la producción de ácido hialurónico podría ayudar a los investigadores a comprender los defectos congénitos en los órganos donde el ácido hialurónico impulsa el desarrollo.
“Es probable que este sea un mecanismo extendido y conservado entre especies y órganos”, dijo Munjal.
El mecanismo también podría aplicarse a la bioingeniería, donde los investigadores están intentando impulsar a las células madre para que formen brotes, tubos y otras formas complicadas, con el objetivo final de cultivar órganos en el laboratorio.
Los órganos cultivados en laboratorio todavía son un trabajo en progreso, señaló Megason, pero un paso clave será analizar cómo se forman los órganos dentro de un organismo. «Estamos tratando de analizar los pasos de cómo se fabrica in vivo un órgano complejo como el oído interno, y luego comprender cuantitativamente esos pasos», dijo Megason.
Esperamos que esto establezca las bases fundamentales para que las células crezcan en cualquier patrón y forma que queramos».
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud ( R01DC015478), el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver (K99HD098918), y una Beca a Largo Plazo del Programa de Ciencias de la Frontera Humana.
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