Con la ayuda de las matemáticas y la mosca de la fruta, investigadores de los institutos IBiS de Sevilla e I2SysBio de Valencia han elaborado un modelo que relaciona por primera vez la geometría de un tejido epitelial y sus relaciones energéticas con cómo están conectadas las células entre sí.
Un equipo internacional de científicos, liderado por el Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS, un centro mixto del Hospital Universitario Virgen del Rocío, el CSIC y la Universidad de Sevilla) y del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio, de la Universidad de Valencia y el CSIC), ha descubierto un nuevo principio matemático y desarrollado un modelo biofísico que ayudan a explicar cómo se conectan algunas células entre sí para formar los tejidos.
El estudio, publicado en la revista Cell Systems, se ha realizado usando la mosca de la fruta como modelo, y podría tener futuras implicaciones en la creación de tejidos y órganos artificiales en el laboratorio. También podría servir para entender mejor cómo se forman los órganos durante el desarrollo embrionario y las patologías asociadas a este proceso.
Aunque de momento el trabajo se ha centrado en las células de los epitelios tubulares, y los resultados revelan que estas presentan unas “intercalaciones apicales y basales que minimizan la energía”. Teniendo esto en cuenta, los autores han desarrollado un modelo biofísico basado en la energía capaz de predecir la conectividad celular en 3D.
Modelo biofísico y predicciones tridimensionales planteadas por los investigadores. / P. Gómez-Gálvez et al./Cell Systems
Este mismo equipo de científicos publicó en el año 2018 en la revista Nature Comunications un artículo que tuvo un gran impacto científico y mediático, en el que 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). 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 con cómo se comunican entre ellas para formar esos órganos correctamente”, explica uno de los autores que lideran este trabajo, Luisma Escudero, investigador del IBIS.
Hemos elaborado 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
“Sin embargo, como demostramos entonces, las células epiteliales pueden tener formas complejas en 3D como los escutoides, y las células y los órganos también son tridimensionales. Por ello, en este artículo nos planteamos 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.
Javier Buceta, investigador del I2SysBio y colider del estudio, establece un símil para explicar este nuevo avance científico, recurriendo para ello a la Antropología. “El antropólogo Robin Dunbar determinó que los seres humanos tenemos un promedio de cinco amigos íntimos que vienen dados por diferentes factores sociales y personales. A nivel celular, nuestro artículo ha desvelado que existe un principio "equivalente", concluyendo que el número de ‘vecinos’ próximos de una célula (es decir, sus 'amigos íntimos') está determinado en este caso por la geometría del tejido y sus relaciones energéticas.
El número de ‘vecinos’ próximos de una célula (es decir, sus 'amigos íntimos') está determinado en este caso por la geometría del tejido y sus relaciones energéticas
“Así, teniendo en cuenta una serie de consideraciones energéticas, biológicas, y geométricas, hemos descubierto que, por ejemplo, cuantas más conexiones tiene una célula epitelial con otras, más energía necesita para establecer nuevas conexiones con otras células, mientras que, si está poco conectada con otros ‘vecinos’, la célula necesita menos energía para establecer ese vínculo”, destaca Buceta.
En esta investigación, los científicos alteraron el tejido, reduciendo la adhesión entre las células para poner su modelo a prueba. “Esto hace que cambie la organización, al ser más fácil (menos costoso energéticamente hablando) que las células contacten con nuevas células”, apunta Buceta. Los resultados de los experimentos confirmaron el principio cuantitativo propuesto por los investigadores.
Los autores señalan que, analizando el comportamiento de los tejidos desde el punto de vista de los materiales, otros trabajos previos han observado que su “rigidez” depende de la conectividad celular. “De este modo, los tejidos pueden comportarse de una manera más o menos viscosa (es decir, más fluida o más solida). Nuestros resultados muestran cuantitativamente cómo la geometría de los escutoides condiciona la conectividad celular y, por tanto, cómo pueden ser un instrumento biológico para regular las propiedades, como material, de tejidos y órganos”, concluyen Escudero y Buceta.
Además de los investigadores del IBiS y el I2SysBio, en este trabajo han participado otros de la Universidad de Sevilla, la Universidad Johns Hopkins de Estados Unidos y la Universidad del País Vasco, entre otras instituciones.
Referencia:
Pedro Gómez-Gálvez, Javier Buceta, Luis M. Escudero, Clara Grima et al. “A quantitative biophysical principle to explain the 3D cellular connectivity in curved epithelia”. Cell Systems, 2022.
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