Agregar o eliminar agua de una célula madre puede cambiar el destino de la célula, investigadores han descubierto en un nuevo estudio publicado ayer en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

La investigación encontró que alterar el volumen de una célula cambiaba su dinámica interna, incluyendo la rigidez de la matriz que recubre la superficie exterior. En las células madre, eliminar el agua condensa la celda, influir en las células madre para que se conviertan en células pre-óseas rígidas, mientras que agregar agua hace que las células se hinchen, formando células pregrasas blandas.

Los investigadores han entendido desde hace mucho tiempo que las células madre están influenciadas por las células que las rodean, captando pistas sobre cuál debe ser su función en función de la rigidez de las matrices de las células vecinas.

Los resultados, sin embargo, confirman que la naturaleza juega un papel tan importante como la crianza en el comportamiento y el desarrollo de las células madre.

"Los hallazgos de este estudio añaden una nueva herramienta fascinante a nuestra comprensión y utilización de la biología de células madre para la medicina regenerativa, "dice Praveen Arany, DDS, Doctor, coautor y profesor asistente en el Departamento de Biología Oral de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Buffalo.

El estudio fue dirigido por Ming Guo, Doctor, Profesor adjunto d'Arbeloff en el Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Tecnología de Massachusetts; y David Weitz, Doctor, Mallinckrodt Profesor de Física y de Física Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard.

"Por primera vez, estamos comenzando a comprender la importancia del volumen celular y el contenido de agua celular en las propiedades mecánicas y funciones fisiológicas de las células, "dice Guo, quien comenzó la investigación como estudiante de posgrado en el laboratorio de Weitz en Harvard.

La línea entre hueso y grasa

La investigación originalmente buscaba comprender los efectos del volumen en las características y funciones de una célula. El volumen celular está altamente regulado y cambia con frecuencia a lo largo de la vida de una célula. aumentando a medida que la célula crece y disminuyendo cuando se divide.

Estos cambios de volumen son el resultado de variaciones en la cantidad de proteína, ADN y otros materiales dentro de la célula, aunque en su mayoría permanecen constantes. Pero las células también pueden experimentar cambios rápidos y extremos de tamaño y densidad a través de la absorción o liberación de agua. extendiéndose o encogiéndose en tan solo 20 minutos.

Al aumentar o disminuir el volumen de células en un 20 por ciento, los investigadores encontraron que las células experimentaron varios cambios internos, incluso en la expresión génica y la rigidez.

Conociendo el papel que juega la rigidez celular en el desarrollo de las células madre, los investigadores comenzaron a preguntarse si el volumen celular también podría afectar su destino.

Para probar la premisa, Los investigadores colocaron células madre en su volumen normal en un sustrato de hidrogel endurecido para simular la rigidez de las células óseas. Después de una semana, una gran parte de las células madre se convirtió en células preóseas.

El experimento se repitió con un sustrato de hidrogel ablandado. En el ambiente más suave, hubo una disminución significativa en el número de células madre que se convirtieron en células preóseas. Sin embargo, cuando se eliminó el agua de las células para disminuir su volumen en un 20 por ciento, aumentó el número de células madre que se convirtieron en células preóseas, a pesar de estar en el sustrato más blando.

Se realizó un experimento similar utilizando vidrio. Los investigadores colocaron células madre en vidrio para simular un ambiente más rígido y encontraron que pocas de las células se desarrollaron en células pregrasas. No fue hasta que el volumen de las células madre se incrementó en un 20 por ciento que se encontró un aumento en la formación de células grasas.

Los investigadores descubrieron que cambiar el volumen de las células hacía que se comportaran de manera similar a como si estuvieran bajo presiones ambientales.

"Lo sorprendente de estos experimentos es la observación de que el volumen parece estar relacionado con muchas cosas de la célula. Parece dictar la rigidez de la célula, así como el destino de la célula, "dice Weitz, también es miembro principal de la facultad del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica y director del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales en Harvard.

"Estas observaciones también pueden tener implicaciones en los medios externos de monitorear el destino de las células, lo que puede ser importante para futuras aplicaciones biotecnológicas ".

Se necesitan estudios futuros para examinar los efectos de diversos cambios en el volumen, así como si el volumen celular o las señales externas son el factor dominante en el destino de las células madre.

El futuro de la medicina regenerativa

Las células madre se encuentran a la vanguardia de la medicina regenerativa, proporcionando a los investigadores y médicos el potencial para reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados.

Con la capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula especializada, desde una célula muscular hasta un glóbulo rojo o una célula cerebral, las células madre tienen el potencial de tratar diversas enfermedades y afecciones. desde enfermedades cardíacas hasta pérdida de dientes. Trasplante de médula ósea, una forma de terapia con células madre, ya está en uso generalizado.

Stem cells may also aid in drug development and the understanding of how cancer and birth defects occur.

Learning what causes differentiation among these cells will help researchers generate methods that influence their behavior and, ultimately, develop new therapies.

Aside from physical cues such as cell stiffness or volume, stem cell differentiation can be influenced by a number of biological factors, pharmaceutical drugs or biophysical agents, como la luz, ultrasound and radio frequencies.