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Cuanto más cercanas estén las personas físicamente, mayores serán las posibilidades de un intercambio, como ideas, información e incluso infecciones. Ahora, los investigadores del MIT y del Boston Children's Hospital han descubierto que, incluso en el entorno microscópico de una sola célula, el hacinamiento físico aumenta las posibilidades de interacciones, en formas que pueden alterar drásticamente la salud y el desarrollo de una célula.
En un artículo publicado hoy en la revista Célula madre celular, los investigadores demostraron que la compresión física de las células y el apiñamiento de su contenido pueden hacer que las células crezcan y se dividan más rápido de lo que lo harían normalmente.
Si bien exprimir algo para que crezca puede parecer contradictorio, el equipo tiene una explicación: exprimir actos para escurrir el agua de una celda. Con menos agua para nadar, las proteínas y otros componentes celulares se unen. Y cuando ciertas proteínas se unen, pueden desencadenar la señalización celular y activar genes en la célula.
En su nuevo estudio, los científicos encontraron que la compresión de las células intestinales desencadenaba la agrupación de proteínas a lo largo de una vía de señalización específica, que puede ayudar a las células a mantener su estado de célula madre, un estado indiferenciado. en el que puede crecer rápidamente y dividirse en células más especializadas. Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que si las células pueden simplemente exprimirse para promover su "tallo", entonces se pueden hacer para construir rápidamente órganos en miniatura, como intestinos artificiales o colon, que luego podrían usarse como plataformas para comprender la función de los órganos y probar fármacos candidatos para diversas enfermedades, e incluso como trasplantes para la medicina regenerativa.
Los coautores de Guo son los autores principales Yiwei Li, Jiliang Hu y Qirong Lin del MIT, y Maorong Chen, Ren Sheng y Xi He del Children's Hospital en Boston.
Empacado
Para estudiar el efecto de la compresión en las células, los investigadores mezclaron varios tipos de células en soluciones que solidificaron como placas de hidrogel gomosas. Para exprimir las células, colocaron pesos en la superficie del hidrogel, en forma de un cuarto o un centavo.
"Queríamos lograr una cantidad significativa de cambio en el tamaño de la celda, y estos dos pesos pueden comprimir la celda entre un 10 y un 30 por ciento de su volumen total", explica Guo.
El equipo utilizó un microscopio confocal para medir en 3D cómo cambiaban las formas de las células individuales a medida que se comprimía cada muestra. Como era de esperar, las células se contrajeron con la presión. Pero, ¿la compresión también afecta el contenido de la celda? Para responder, los investigadores primero miraron para ver si el contenido de agua de una célula había cambiado. Si la compresión funciona para extraer agua de una célula, los investigadores sintieron que, como resultado, las células deberían estar menos hidratadas y más rígidas.
Midieron la rigidez de las células antes y después de que se aplicaran las pesas, utilizando pinzas ópticas, una técnica láser que el laboratorio de Guo ha utilizado durante años para estudiar las interacciones dentro de las células, y encontró que, en efecto, las células se endurecen bajo el efecto de la presión. También vieron que había menos movimiento dentro de las celdas que tenían prisa, lo que sugiere que su contenido estaba más empaquetado de lo habitual.
Luego se propusieron averiguar si había algún cambio en las interacciones entre ciertas proteínas en las células, en respuesta a la compresión celular. Se centraron en varias proteínas conocidas por desencadenar la señalización de Wnt / β-catenina, implicadas en el crecimiento celular y el mantenimiento del "tallo".
“En general, se sabe que esta vía hace que una célula se parezca más a una célula madre”, explica Guo. “Si cambia la actividad de esta vía, se ha demostrado que la progresión del cáncer y el desarrollo del embrión son muy diferentes. Entonces pensamos que podríamos usar esta ruta para demostrar cuán importante es el hacinamiento celular. "
Un curso "refrescante"
Para ver si la compresión celular afecta la vía Wnt y qué tan rápido está creciendo una célula, los investigadores cultivaron pequeños organoides, órganos en miniatura y, en este caso, grupos de células que se recolectaron de los intestinos de ratones.
"La vía Wnt es especialmente importante en el colon", explica Guo, señalando que las células que recubren el intestino humano se reponen constantemente. La vía Wnt, dice, es esencial para mantener las células madre intestinales, generar nuevas células y "enfriar" el revestimiento intestinal.
Él y sus colegas cultivaron organoides intestinales, cada uno midiendo aproximadamente medio milímetro, en varias placas de Petri, luego "exprimieron" los organoides infundiendo polímeros en las placas. Esta afluencia de polímeros aumentó la presión osmótica que rodea a cada organoide y obligó al agua a salir de sus células. El equipo observó que, como resultado, las proteínas específicas involucradas en la activación de la vía Wnt se agruparon más cerca y tenían más probabilidades de agruparse para activar la vía y sus genes reguladores del crecimiento.
El resultado: los organoides que se comprimieron en realidad crecieron más grandes y más rápido, con más células madre en su superficie que los que no se comprimieron.
"La diferencia era muy obvia", dice Guo. "Cada vez que se aplica presión, los organoides se hacen cada vez más grandes, con muchas más células madre".
Él dice que los resultados demuestran cómo la compresión puede afectar el crecimiento de un organoide. Los resultados también muestran que el comportamiento de una célula puede cambiar dependiendo de la cantidad de agua que contiene.
"Es muy general y amplio, y el impacto potencial es profundo, que las células puedan simplemente ajustar la cantidad de agua que tienen disponible para regular sus consecuencias biológicas", dice Guo.
En el futuro, él y sus colegas planean explorar la compresión celular como una forma de acelerar el crecimiento de órganos artificiales que los científicos podrían usar para probar nuevos medicamentos personalizados.
"Podría tomar mis propias células y transfectarlas en células madre que luego se pueden desarrollar en un organoide pulmonar o intestinal que imita mis propios órganos", explica Guo. “Entonces podría aplicar diferentes presiones para hacer organoides de diferentes tamaños y luego probar diferentes medicamentos. Imagino que habría muchas posibilidades. "
Esta investigación está financiada en parte por el Instituto Nacional del Cáncer y la Fundación Alfred P. Sloan.
