Las simulaciones por ordenador explican el movimiento celular: como una red ferroviaria de células
Publicado originalmente por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria, el 19 de junio de 2024
Instantáneas del tren celular. Las células se extienden desde una escama de pescado (izquierda) hacia carriles artificiales (rojo) y forman trenes (centro) de diferentes tamaños (derecha). Crédito: Vercurysse, Brückner et al./Nature Physics
Vistas al microscopio, un grupo de células avanza lentamente en fila, como un tren sobre las vías. Las células navegan por 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 consiguiente concepto matemático se publican en Nature Physics.
La mayoría de las células del cuerpo humano no pueden moverse. Sin embargo, algunas en concreto sí pueden desplazarse. Por ejemplo, en la cicatrización de heridas, las células se desplazan por el cuerpo para reparar el tejido dañado. A veces viajan solas y a veces en grupos de distinto tamaño.
Aunque el proceso se conoce cada vez mejor, se sabe poco sobre cómo interactúan las células mientras viajan y cómo navegan colectivamente por los complejos entornos que se encuentran en el cuerpo. Ahora, un equipo interdisciplinar de físicos teóricos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y experimentadores de la Universidad de Mons (Bélgica) han descubierto algo nuevo.
De forma muy parecida a los experimentos de dinámica social, en los que comprender las interacciones de un pequeño grupo de personas es más fácil que analizar toda una sociedad, los científicos estudiaron el comportamiento itinerante de un pequeño grupo de células en un entorno in vitro bien definido, es decir, fuera de un organismo vivo, en una placa de Petri dotada de características interiores. A partir de sus hallazgos, desarrollaron un marco de reglas de interacción.
Las células viajan formando un tren
David Brückner vuelve corriendo a su despacho para coger el portátil. "Creo que es mejor mostrar algunos vídeos de nuestros experimentos", dice y pulsa play.
El vídeo muestra una placa de Petri. En el sustrato, junto a una escama de pez cebra formada por numerosas células, hay impresas microranuras, carriles unidimensionales que guían el movimiento celular. Células especiales de cicatrización de heridas, conocidas como "queratocitos", empiezan a estirarse hacia fuera de la escama, formando ramas en los carriles.
"Al principio, las células se pegan entre sí gracias a las moléculas adhesivas de su superficie; es como si se dieran la mano", explica Brückner. De repente, la unión se rompe y las células se reúnen en pequeños grupos, avanzando como trenes por las vías.
"La longitud del tren siempre es diferente. A veces son dos, a veces son diez. Depende de las condiciones iniciales".
Eléonore Vercurysse y Sylvain Gabriele, de la Universidad de Mons (Bélgica), observaron este fenómeno mientras investigaban los queratocitos y sus características de cicatrización dentro de diferentes patrones geométricos. Para ayudarles a interpretar estas desconcertantes observaciones, se pusieron en contacto con los físicos teóricos David Brückner y Edouard Hannezo del ISTA.
Las células tienen volante
"Hay un gradiente dentro de cada célula que determina hacia dónde se dirige. Se llama 'polaridad' y es como el propio volante de la célula", explica Brückner. "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 este campo.
Brückner y Hannezo se pusieron a pensar. Los dos científicos desarrollaron un modelo matemático que combinaba la polaridad de una célula, sus interacciones y la geometría de su entorno. Después trasladaron el marco a simulaciones por ordenador, que les ayudaron a visualizar distintos escenarios.
Inspiración en la pizarra. Edouard Hannezo (detrás) y David Brückner (delante) intercambian ideas sobre ecuaciones matemáticas. Utilizan una de las muchas pizarras que hay por todo el campus de la ISTA, lo que permite que fluyan e intercambien ideas de forma espontánea. Crédito: ISTA
Lo primero que analizaron los científicos austriacos fue la velocidad de los trenes celulares. La simulación reveló que la velocidad de los trenes es independiente de su longitud, tanto si constan de dos como de diez células.
"Imagínese que la primera célula hiciera todo el trabajo, arrastrando a las demás detrás; el rendimiento global disminuiría", dice Hannezo. "Pero ése 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 avanzan sin problemas". En otras palabras, los trenes funcionan como una tracción a las cuatro ruedas en lugar de como una simple tracción delantera.
Como siguiente paso, los teóricos examinaron los efectos de aumentar la anchura de los carriles y los grupos de células en sus simulaciones. En comparación con las células que se movían en fila india, las agrupadas eran mucho más lentas. La explicación es muy sencilla: cuantas más células se agrupan, más chocan entre sí. Estas colisiones hacen que se polaricen y se alejen unas de otras y se muevan en direcciones opuestas. Las células no se alinean correctamente, lo que interrumpe el flujo de movimiento e influye drásticamente en la velocidad global. Este fenómeno también se observó en el laboratorio belga (experimentos in vitro).
¿Un callejón sin salida? Ningún problema para las agrupaciones celulares
Desde el punto de vista de la eficiencia, parece que moverse en grupos no es lo ideal. Sin embargo, el modelo predecía que también tenía sus ventajas cuando las células navegan por terrenos complejos, como hacen, por ejemplo, en el cuerpo humano. Para comprobarlo, los científicos añadieron un callejón sin salida, tanto en los experimentos como en las simulaciones.
"Los trenes de células llegan rápidamente al callejón sin salida, pero les cuesta cambiar de dirección. Su polarización está bien alineada y es muy difícil que se pongan de acuerdo para cambiar de dirección", explica Brückner. "Mientras que, en la formación en racimo, bastantes células ya están polarizadas en la otra dirección, lo que facilita mucho el cambio de dirección".
¿Trenes o racimos?
Naturalmente, surge la pregunta: ¿cuándo se mueven las células 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 único proceso. Por el contrario, es un marco de amplia aplicación que demuestra que colocar las células en un entorno con restricciones geométricas es muy instructivo, ya que las desafía y nos permite descifrar sus interacciones entre sí", añade Hannezo.
Un pequeño tren repleto de información
Publicaciones recientes del grupo de Hannezo sugieren que la comunicación celular se propaga en ondas: una interacción entre señales bioquímicas, comportamiento físico y movimiento. El nuevo modelo de los científicos proporciona ahora una base física para estas interacciones de célula a célula, lo que posiblemente ayude a comprender el panorama general.
A partir de este marco, los colaboradores pueden profundizar en los actores moleculares que intervienen en este proceso. Según Brückner, los comportamientos revelados por estos pequeños trenes celulares pueden ayudarnos a entender los movimientos a gran escala, como los que se observan en tejidos enteros.
Para comprender mejor los procesos fundamentales, por ejemplo, en los campos de la neurociencia, la inmunología o la genética, es indispensable utilizar animales en la investigación. Ningún otro método, como los modelos in silicio, puede servir de alternativa. Los animales se crían, mantienen y tratan de acuerdo con las estrictas normativas de los respectivos países en los que se lleva a cabo la investigación.
Para más información: Geometry-driven migration efficiency of autonomous epithelial cell clusters, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02532-x
Journal information Nature Physics
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