Cuando se observa bajo un microscopio, un grupo de células se mueve lentamente en línea, como un tren sobre vías. Las células navegan a través de entornos complejos. Un nuevo enfoque de investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) muestra ahora cómo lo hacen y cómo interactúan entre sí. Las observaciones experimentales y el siguiente concepto matemático se publican en Física de la naturaleza.
La mayoría de las células del cuerpo humano no pueden moverse. Sin embargo, algunas personas pueden ir a lugares diferentes. Por ejemplo, en la curación de heridas, las células se mueven por el cuerpo para reparar el tejido dañado. A veces viajan solos o en grupos de diferentes tamaños. Aunque este proceso se comprende cada vez más, se sabe poco sobre cómo se comunican las células durante su viaje y cómo navegan colectivamente por el complejo entorno que se encuentra en el cuerpo. Un equipo interdisciplinario de físicos teóricos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y experimentadores de la Universidad de Mons en Bélgica tiene ahora nuevos conocimientos.
Al igual que en los experimentos de dinámica social, en los que es más fácil comprender las interacciones de un pequeño grupo de personas que analizar una sociedad entera, los científicos estudiaron in vitro el comportamiento de desplazamiento de un pequeño grupo de células en un entorno bien definido. llevado a cabo, es decir, fuera de un organismo, en una placa de Petri equipada con características internas. A partir de sus hallazgos, desarrollaron un marco de reglas de interacción que ahora se ha publicado. Física de la naturaleza.
Las células viajan en trenes.
David Bruckner regresó a su oficina para coger su portátil. “Creo que es mejor mostrar algunos vídeos de nuestros experimentos”, dice emocionado y le da al play. El video muestra una placa de Petri. Se imprimen microtiras (carriles unidimensionales que guían el movimiento de las células) sobre un sustrato con escamas de pez cebra que contienen múltiples células. Las células especializadas en cicatrización de heridas, conocidas como “queratocitos”, comienzan a extenderse fuera de las escamas y ramificarse hacia los folículos. “En primer lugar, las células se unen a través de moléculas de adhesión en su superficie, es como si se tomaran de la mano”, explica Bruckner. De repente, el vínculo se rompe y las células se reúnen en pequeños grupos, moviéndose como trenes por las vías. “La longitud del tren siempre es diferente. A veces son dos, a veces diez. Depende de las condiciones iniciales”.
Eleonore Vercresi y Sylvain Gabriel, de la Universidad de Mons (Bélgica), observaron este fenómeno mientras investigaban los queratocitos y sus propiedades curativas de heridas dentro de diferentes patrones geométricos. En busca de ayuda para interpretar estas sorprendentes observaciones, se pusieron en contacto con los físicos teóricos David Bruckner y Edward Heinzew del ISTA.
Las celdas tienen un volante.
“Cada célula tiene un gradiente en su interior que determina hacia dónde se dirige. Se llama ‘polaridad’ y es como el propio volante de la célula”, dice Bruckner. “Las células comunican su polaridad a las células vecinas, lo que les permite moverse en concierto”. Pero cómo lo hacen sigue siendo un gran enigma en el campo. Brückner y Hannezo comenzaron a intercambiar ideas. Los dos científicos desarrollaron un modelo matemático que combinaba la polaridad celular, sus interacciones y la geometría de su entorno. Luego transfirieron el marco a simulaciones por computadora, lo que les ayudó a visualizar diferentes escenarios.
Lo primero que observaron los científicos austriacos fue la velocidad de los trenes celulares. Las simulaciones muestran que la velocidad de los trenes es independiente de su longitud, ya sean de dos o diez celdas. “Imagínese si la primera célula hace todo el trabajo, arrastrando a las demás detrás de ella; la eficiencia general disminuirá”, dice Hannezo. “Pero ese no es el caso. Dentro de los trenes, todas las células están polarizadas en la misma dirección. Están alineadas y sincronizadas en cuanto a su movimiento y se mueven suavemente”. En otras palabras, los trenes circulan con tracción total y no sólo con tracción delantera.
Como siguiente paso, los teóricos examinaron los efectos del aumento del ancho de los carriles y de los grupos de células en sus simulaciones. En comparación con las células que se ejecutan en una sola fila, los clústeres eran mucho más lentos. La explicación es bastante sencilla: cuantas más células se juntan, más chocan entre sí. Estas colisiones hacen que se polaricen entre sí y se muevan en direcciones opuestas. Las células no se alinean correctamente, lo que interrumpe el flujo de movimiento y afecta en gran medida la velocidad general. Este fenómeno también se observó en el laboratorio belga (experimentos in vitro).
¿callejón sin salida? No es un problema para los grupos de células.
Desde una perspectiva de rendimiento, parece que pasar a clústeres no es lo ideal. Sin embargo, el modelo predice que también existen ventajas cuando las células se mueven a través de terrenos complejos, como lo hacen, por ejemplo, en el cuerpo humano. Para comprobarlo, los científicos añadieron un callejón sin salida tanto a los experimentos como a las simulaciones. “Los trenes de células se ponen en marcha rápidamente, pero les cuesta cambiar de dirección. Su polarización está bien acoplada y les resulta muy difícil aceptar el cambio”, dice Bruckner. “Mientras que en un grupo, muchas células ya están polarizadas en la otra dirección, lo que facilita el cambio de dirección”.
¿Trenes o clusters?
Naturalmente, surge la pregunta: ¿cuándo las células se mueven en grupos y cuándo en trenes? La respuesta es que ambos escenarios se observan en la naturaleza. Por ejemplo, algunos procesos de desarrollo dependen de grupos de células que se mueven de un lado a otro, mientras que otros dependen de pequeños trenes de células que se mueven de forma independiente. “Nuestro modelo no se aplica a un solo proceso. Más bien, es un marco de amplia aplicación que muestra que colocar células en un entorno con restricciones geométricas es muy instructivo, ya que las desafía y nos permite comprender sus interacciones entre sí. ” añadió Hannezo.
Un trenecito lleno de información.
Publicaciones recientes del grupo Hannezo muestran que la comunicación celular se propaga en ondas: una interacción entre señales bioquímicas, comportamiento fisiológico y movimiento. El nuevo modelo de los científicos proporciona ahora una base física para estas interacciones entre células, lo que podría ayudar a comprender el panorama más amplio. Sobre la base de este marco, los colegas pueden obtener un acceso profundo a los actores moleculares involucrados en este proceso. Según Brückner, los comportamientos exhibidos por estos pequeños trenes de células pueden ayudarnos a comprender movimientos a gran escala, como los que se observan en tejidos completos.
