¿Cómo se auto-organizan las células madre en el embrión en desarrollo?

Publicado 17/01/2019 7:07:37CET
- NANDAN NERURKAR / COLUMBIA ENGINEERING

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   MADRID, 17 Ene. (EUROPA PRESS) -

   El desarrollo embrionario es un proceso de profunda transformación física, que ha desafiado a los investigadores durante siglos, con preguntas sobre cómo controlan los genes y las moléculas las fuerzas y la rigidez de los tejidos para orquestar la aparición de la forma en el embrión en desarrollo o cómo son los mecanismos precisos que subyacen en la emergencia de la complejidad de nuestros órganos y tejidos codificados en nuestro ADN.

   El profesor asistente de Ingeniería Biomédica en 'Columbia Engineering', Estado sUnidos, Nandan Nerurkar, está trabajando para responder a estas cuestiones. Como científico postdoctoral en la Escuela de Medicina de la Universidad de Harvard (Estados Unidos), Nerurkar se centró en un aspecto particular del desarrollo embrionario: cómo un grupo de células madre, el endodermo, se mueve desde la superficie del embrión en desarrollo hacia el centro, y al hacerlo se transforma desde una hoja plana a un tubo hueco. Esta estructura, conocida como tubo intestinal, forma el revestimiento de todo el tracto respiratorio y gastrointestinal.

   En un estudio publicado este miércoles en 'Nature', Nerurkar trabajó con colegas de Harvard para arrojar nueva luz sobre este paso crítico en el desarrollo embrionario temprano. El equipo descubrió que la formación del tubo intestinal es impulsada por movimientos celulares colectivos del endodermo, un proceso mediante el cual las células viajan grandes distancias en masa, sin reorganizarse entre sí.

   También encontraron que este movimiento colectivo es desencadenado por células que están convirtiendo un gradiente molecular en un gradiente de fuerza que impulsa a las células desde la superficie hacia el embrión. Este descubrimiento es uno de los pocos ejemplos, especialmente entre los vertebrados, de cómo las señales moleculares se convierten en las fuerzas físicas que dan forma a nuestros órganos.

   Los hallazgos del estudio podrían tener implicaciones importantes sobre cómo se utilizan las células madre para crear órganos funcionales en el laboratorio y llevar a comprender mejor las causas subyacentes de los defectos de nacimiento gastrointestinales. "Nuestro principal objetivo es entender cómo nosotros, como organismos complejos, nos formamos con tanta precisión a partir de una bola de células aparentemente desorganizada: el embrión temprano", afirma Nerurkar, autor principal del estudio.

   La identificación de genes que conducen a la diferenciación de células madre en tipos de células maduras (el enfoque principal en el campo de Nerurkar) es un paso importante hacia el cultivo de órganos de reemplazo en el laboratorio. Sin embargo, Nerurkar sugiere que esto es solo una parte de la imagen: "Es igualmente importante entender cómo instruir a esas células para que se organicen en órganos tridimensionales funcionales. El embrión en desarrollo tiene la receta para esto, y muchos grupos de investigación, incluido el nuestro, estamos aprovechando el lenguaje de la física y la mecánica para diseccionarlo".

   El equipo utilizó un enfoque innovador vanguardista en el campo de la biología del desarrollo. Combinaron enfoques convencionales de biología del desarrollo, incluidos el análisis y la manipulación de la expresión génica y la microscopía de lapso de tiempo de los movimientos celulares en el embrión de pollo en desarrollo, con métodos de ingeniería, como el modelado matemático y las mediciones de fuerza y ??tensión.

LA IMPORTANCIA DE UNA CELULAR

   Se centraron en una parte de la internalización del endodermo: el intestino posterior, que da lugar a la mitad del intestino delgado, el intestino grueso y el colon. Lo que se sabía previamente de la formación de tubos intestinales provino de experimentos de mapeo del destino, en donde se marcan las células temprano en el desarrollo y luego se mapean para saber dónde terminan las células marcadas más tarde en el desarrollo.

   Este análisis estático, que utiliza imágenes estáticas del principio y el final del proceso para hacer una estimación informada de lo que sucede en el medio, ha llevado a una visión de la formación del tubo intestinal que está presente en la mayoría de los libros de texto de embriología. "Basándonos en nuestros hallazgos recientes, esta visión es, en el mejor de los casos, incompleta y, en el peor, completamente errónea", dice Nerurkar.

   A diferencia de estudios anteriores de mapeo del destino, Nerurkar y sus colegas utilizaron imágenes en vivo en el embrión para observar directamente los movimientos celulares a medida que el endodermo se internaliza para formar un tubo. Luego, aplicaron una combinación de métodos de ingeniería mecánica y biología del desarrollo para comprender cómo se generan esos movimientos celulares y cómo estos movimientos se coordinan para formar esta estructura crítica en el embrión temprano.

   El equipo encontró que los movimientos están coordinados por la conversión de un gradiente molecular en un gradiente de fuerza de las células que se contraen en proporción a la cantidad de una señal molecular (factor de crecimiento de fibroblastos (FGF)) que perciben. Esto resulta en una lucha entre las células del endodermo: a medida que un "equipo" comienza a ganar, las células en realidad reclutan jugadores del equipo contrario y los llevan de concentraciones bajas a mayores de FGF.

   Las irregularidades en la función de FGF pueden llevar a una serie de defectos de desarrollo. "Durante el desarrollo humano, los errores en la formación del tubo intestinal probablemente conducirían a un aborto espontáneo, algo que es un riesgo relativamente alto durante el primer trimestre, cuando se está produciendo este proceso", dice Nerurkar.