Por primera vez, los científicos han medido cuánto crecen las células individuales en tiempo real. Puede parecer sencillo, pero en realidad es una hazaña técnica de enormes proporciones. Es como medir el peso de un pequeño grano de arena bajo un microscopio electrónico mientras el agua microscópica se evapora a su alrededor, mientras la arena misma sufre constantemente un cambio sutil en su composición química. A modo de comparación, estos experimentos son similares a medir el crecimiento de un bebé humano con una báscula de precisión lo suficientemente sensible como para detectar un solo grano de arena durante una gestación de nueve meses. Y, sin embargo, esto tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión de la salud humana, porque estas mediciones muestran cómo las células usan la energía y responden a su entorno.

"Esto nos permitirá estudiar todo tipo de procesos biológicos fundamentales en función del tamaño de las células", afirma Daniel Needleman, físico y bioingeniero de la Universidad de California, Berkeley, y codirector del equipo de investigación. “Ahora que tenemos la capacidad de realizar estas mediciones, podemos preguntarnos:¿Qué tan variable es el crecimiento de una célula? ¿Qué tan sensible es a las perturbaciones? ¿Cómo depende el crecimiento de los nutrientes o del ambiente en el que se encuentra la célula? ¿Qué sucede con el crecimiento cuando las células se vuelven cancerosas y dejan de responder a las señales de crecimiento normales?

"Esto es realmente un hito técnico en el campo de la biología unicelular", añade Nevan Krogan, biólogo cuantitativo de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y codirector del equipo de investigación. "Será transformador para toda la comunidad, abriendo nuevas posibilidades para estudiar la biología fundamental y los mecanismos de las enfermedades a nivel unicelular".

Needleman y Krogan son coautores principales de un estudio que describe la plataforma y sus resultados iniciales, publicado hoy (12 de mayo de 2022) en la revista Cell. Si bien un puñado de grupos han medido la masa de poblaciones de células antes, este grupo desarrolló la primera plataforma para pesar células individuales en tiempo real a medida que crecen.

Descubrieron que la tasa de crecimiento de una célula individual es constante; es decir, su masa aumenta constantemente con el tiempo. Curiosamente, esto significa que la tasa metabólica de una célula por unidad de masa disminuye a medida que crece. En otras palabras, una célula más pequeña es más eficiente a la hora de convertir la energía de su entorno en crecimiento que una célula más grande. Además, los investigadores demostraron que sus métodos podrían usarse para medir la eficiencia con la que las células absorben y convierten los nutrientes externos en crecimiento.

“Como biólogo cuantitativo, me apasiona utilizar enfoques cuantitativos precisos para estudiar problemas que, hasta hace poco, eran demasiado desafiantes o imposibles de medir. Para hacer una contribución, hay que construir estas nuevas herramientas de medición”, afirma Krogan. “Este esfuerzo requirió que desarrollemos nuevos enfoques experimentales y computacionales y que reúnamos a científicos con diferentes formaciones. No habría sido posible si hubiésemos trabajado aislados”.

Pesando lo inpesable

La nueva plataforma, denominada pesaje de microfluidos, combina microfluidos, que permiten la manipulación precisa de fluidos en una escala submilimétrica, con imágenes de fase cuantitativa, una técnica de microscopía relativamente nueva que mide directamente la masa de un objeto en función de cuánto desvía la luz.

"El primer desafío técnico es simplemente manipular y capturar células", explica Daniel Fletcher, bioingeniero de UC Berkeley y coautor del estudio, cuyo laboratorio desarrolló la plataforma de microfluidos. “No quieres que cientos de miles de células pasen por tu sistema, porque entonces no sabes qué célula estás midiendo. Pero tampoco conviene medir una celda a la vez, porque llevaría demasiado tiempo. Entonces, atrapamos decenas o cientos de células a la vez y hacemos fluir medios sobre ellas para que obtengan los nutrientes que necesitan para sobrevivir, pero permanecen atrapadas allí. Luego, el equipo de imágenes entró para optimizar e implementar imágenes de fase cuantitativa”.

Para lograr imágenes de fase cuantitativa, los investigadores dirigieron un haz de luz a través de un microcanal hacia las células, capturando una imagen de la luz a medida que emergía por el otro lado. Si no hubiera ninguna célula en el canal, el frente de onda de la luz no se alteraría. Pero cuando hay una célula, la luz se desvía, alterando ligeramente el frente de onda. Este cambio en el frente de onda se puede convertir computacionalmente directamente en la masa de la celda.

"Al medir el cambio de fase de la luz a su paso a través de una célula, inferimos el índice local de refracción del material, que está directamente relacionado con la densidad de la célula", explica el coautor del estudio Aydogan Ozcan, profesor de ingeniería eléctrica. e informática y director del Laboratorio de Óptica Integrada de UCLA. "Como conocemos la composición química de la célula y la densidad de sus componentes, esto nos permite determinar con precisión la masa de la célula".

"Estas mediciones son realmente sensibles", dice Needleman. "Podemos medir los cambios en la masa de una sola célula correspondientes a menos de 1.000 moléculas de agua que se añaden a la célula".

A medida que las células de la cámara de microfluidos absorbieron nutrientes de su entorno, se expandieron y crecieron en masa, como se esperaba.

"Pero notamos que la tasa de crecimiento no cambiaba a medida que las células crecían", dice Needleman. "Esto significa que el motor metabólico dentro de una célula pequeña es en realidad más eficiente a la hora de convertir energía en crecimiento que el motor de una célula más grande".

El equipo espera que otros científicos adopten y perfeccionen aún más su tecnología para estudiar el crecimiento de muchos tipos diferentes de células en diversas condiciones y entornos, incluidas las enfermedades.