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domingo, 4 de septiembre de 2022

Un principio matemático explica cómo se conectan las células entre sí para formar tejidos y órganos

Anatomía Patológica
soniamoreno
Dom, 04/09/2022 - 08:00
Formación de órganos y patologías asociadas
Tejido glandular en una imagen proveniente del microscopio; debajo, la imagen procesada por ordenador para poder cuantificar las propiedades.
Tejido glandular en una imagen proveniente del microscopio; debajo, la imagen procesada por ordenador para poder cuantificar las propiedades.

Este avance es un importante paso adelante para entender cómo se forman los órganos durante el desarrollo embrionario y las patologías asociadas a este proceso.

El trabajo, publicado en la revista Cell Systems, ha sido realizado usando la mosca de la fruta como modelo y obtiene un modelo biofísico que relaciona por primera vez la geometría del tejido y las propiedades físicas de las células con cómo están conectadas entre sí. El hallazgo, que puede tener futuras implicaciones en la creación de tejidos y órganos artificiales en el laboratorio, un gran reto para la Biología y la Biomedicina, está liderado por el Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), y el Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS), del CSIC, el Hospital Universitario Virgen del Rocío y la Universidad de Sevilla. Además, han participado la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y la Universidad del País Vasco, entre otras instituciones.

El punto de partida es un artículo publicado por este mismo equipo científico en la revista Nature Comunications, en el cual demostraban que las células epiteliales pueden adoptar durante la formación de los órganos una forma geométrica que no estaba descrita hasta ese momento: el escutoide.

“Que las células adopten esta forma geométrica se debe al ahorro energético que supone a la hora de ‘empaquetarse’ para formar tejidos cuando existe cierto nivel de curvatura, por ejemplo cuando se forma un pliegue en un tejido”, explica Luisma Escudero, investigador del IBiS y uno de los coautores del estudio. Según Escudero, “nuestra investigación supuso un importante cambio de paradigma, porque hasta entonces los epitelios siempre se habían estudiado usando conceptos matemáticos para describir su organización en dos dimensiones, algo que está relacionado con la conexión entre las células y cómo se comunican entre ellas para formar esos órganos correctamente”.

Sin embargo, como se demostró, las células epiteliales pueden tener formas complejas en tres dimensiones como los escutoides, y las células y los órganos también son tridimensionales.

Modelos computacionales

Por ello, en este artículo se plantearon si existen principios matemáticos y/o biofísicos en 3D y, combinando experimentos con tejidos de moscas y modelos computacionales de tejidos tubulares, “hemos podido elaborar un modelo biofísico que relaciona por primera vez la geometría del tejido y las propiedades físicas de las células con cómo están conectadas entre sí”, apunta Escudero.

Según explica Javier Buceta, investigador del I2SysBio y colíder del estudio, “hemos combinado técnicas de microscopia en tejidos, el análisis computacional de las imágenes utilizando machine learning, modelos y teoría matemática basados en geometría computacional, para desarrollar una teoría biofísica que relaciona la geometría celular y del tejido con sus propiedades físicas. En particular, hemos desarrollado un modelo que predice el coste energético asociado al empaquetamiento celular y la conectividad entre células (es decir, la organización del tejido en 3D)”.

Algunos aspectos interesantes han sido constatar que las células si tienen pocos "amigos", es decir si están en contacto con un reducido numero de células, les cuesta menos (energéticamente hablando) hacer nuevos amigos que a aquellas células que tienen muchos amigos (es decir, aquellas que tienen mayor conectividad). “Un aspecto interesante es que hasta ahora se pensaba que el número promedio máximo de "amigos" de una célula era seis: nuestro trabajo no solo demuestra que los escutoides permiten superar este límite, sino que nos permite predecir ese número de vecinos en función de la física y la geometría celular”, incide Buceta.

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