El año pasado, Los investigadores de la Universidad de Pensilvania revelaron conocimientos sorprendentes sobre cómo las células responden a la curvatura de la superficie. Específicamente, investigaron cómo las células responden a superficies cilíndricas, que son comunes en biología. Descubrieron que las células cambian las configuraciones estáticas de sus formas y estructuras internas.

"Lo consideramos como las células que realizan cálculos; las células detectan y responden a la curvatura subyacente, "dice Kathleen Stebe de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn.

Ahora, los investigadores, dirigido por Stebe y el recién graduado en ingeniería Nathan Bade en colaboración con Randall Kamien de la Escuela de Artes y Ciencias y Richard Assoian de la Escuela de Medicina Perelman, han publicado un estudio de seguimiento que Stebe compara con "calc III" para las células, investigando cómo las células responden a geometrías más complejas. La investigación, que podría habilitar nuevas herramientas en biología y afectar la forma en que los médicos tratan cosas como enfermedades vasculares, ha sido publicado en el Revista biofísica .

Los investigadores crearon una superficie distinta a los cilindros a la que se refieren como "esfera con faldón". Como el nombre sugiere, la parte superior de la superficie es esférica, pero, a medida que uno viaja más abajo de la superficie a ambos lados, forma una falda que tiene la forma de una silla de montar. Debido a esto, la superficie tiene dos curvaturas principales distintas de cero en cada punto; la parte esférica tiene lo que se llama una curvatura gaussiana positiva, mientras que la falda tiene una curvatura gaussiana negativa.

"Dimos esta pequeña montaña realmente interesante a las celdas, "Stebe dice, "y dijo, ¿Qué vas a hacer con esta suave montaña que te da estas diferentes curvaturas? Y resulta que estas células son realmente inteligentes. No solo cambian sus formas y estructuras internas, pero se mueven de maneras dramáticamente diferentes que abren nuevas preguntas sobre cómo se mueven las células ".

Las células en superficies rígidas forman fibras de tensión, que comprende motores de actina y miosina. En el estudio anterior, los investigadores encontraron que, asombrosamente, en una superficie cilíndrica, las células doblan realmente algunas de las fibras de tensión a lo largo de la dirección de curvatura máxima. Aunque una población de fibras de estrés ubicadas sobre el núcleo de la célula se alinea a lo largo del eje del cilindro, otro debajo del núcleo envuelto alrededor de la circunferencia del cilindro. También encontraron que, manipulando el cioesqueleto de las células, pudieron recapitular el patrón de alineación del citoesqueleto que vieron in vivo.

En este trabajo más reciente, los investigadores encontraron que, de nuevo, la población de fibras de tensión por encima del núcleo permaneció lo más recta posible y luego debajo del núcleo una segunda población envuelta en la dirección en la que están más dobladas. Al igual que en la investigación anterior, las dos poblaciones se alinearon a lo largo de las dos direcciones principales de la superficie.

Para investigar esto, Bade cubrió la esfera con faldón con moléculas para que se adhiriera a las células y luego observó cómo se comportaban las células cuando migraban a la superficie. Los investigadores utilizaron un potente microscopio confocal que proporcionó información tridimensional sobre los sistemas.

Los investigadores pudieron tratar las fibras de estrés, un componente del citoesqueleto activo dentro de las células, para que emitieran fluorescencia. Usando un láser para recolectar luz de secciones muy pequeñas de una muestra, el microscopio confocal eliminó toda la luz desenfocada. Esto produjo una imagen de alta resolución desde un plano estrecho que permitió a los investigadores ver que, al igual que en el estudio anterior, una población encontró la manera de mantenerse lo más erguida posible y la otra encontró la manera de doblarse tanto como fuera posible.

"Las fibras de tensión apical que querían permanecer lo más rectas posible encontraron una manera de permanecer rectas formando cuerdas en forma de puente sobre el espacio cóncavo, "Bade dice, "Las fibras de tensión basal se envolvieron alrededor de la característica y estaban muy dobladas".

Luego, los investigadores estudiaron las orientaciones de las dos poblaciones de fibras de tensión en función de la curvatura de la superficie. Descubrieron que las células que experimentan la porción débilmente curvada de la superficie no tenían ninguna orientación preferencial para sus fibras apicales de tensión. pero aquellos que enfrentan la curvatura más desafiante orientaron muy fuertemente sus fibras apicales de tensión, apuntando hacia el centro de la función. Esto abrió la pregunta de qué tipo de impacto tiene esto en comportamientos celulares importantes.

"Las células ven este tipo de límites y superficies en nuestros cuerpos, "Dice Bade." Las glándulas y los vasos tienen los tipos de campos de curvatura que hemos capturado en la superficie de la esfera con faldón. Algunos tipos de tumores también tienen estas complejas curvaturas. La curvatura está en todas partes. No estamos hechos de aviones ".

Según Bade, Esta investigación muestra que estas señales geométricas tienen un impacto profundo en la organización del citoesqueleto, que es importante para los comportamientos celulares como la migración, cómo se mueven las células en nuestro cuerpo.

"Queríamos averiguar cómo la geometría de la esfera con faldón influiría en la migración celular, si es que lo hiciera, "Dice Bade." Vimos que las células migrarían por la falda, pero, tan pronto como encontraron el casquete esférico, de hecho, dejaron de migrar en dirección radial. Las células exploran este límite, pero se niegan a migrar a él. Ésta es efectivamente una región de repulsión de curvatura hacia la célula. Las células cambian realmente su polarización; puede verlos girar casi 90 grados y comenzar a migrar alrededor de la función ".

Bade y Stebe creen que la curvatura en realidad podría estar alterando la relación entre la dirección en la que se orientan las fibras de tensión y la dirección de migración. Esto sugiere que las fibras apicales de tensión, que suelen conducir a la migración, disminución de importancia, y la población basal se hace cargo.

"En aviones, las fibras apicales de tensión son siempre las encargadas de conducir, "Stebe dice, "pero, de repente, las fibras de tensión basal agarran la rueda. Esto deja muchas preguntas abiertas. Es uno de esos trabajos realmente emocionantes porque los resultados son claramente evidentes en los datos, pero los mecanismos no son triviales en absoluto. Es realmente emocionante que plantear una pregunta aparentemente ingenua pueda llevarte a un espacio con grandes preguntas abiertas y que la claridad de los datos, la importancia de los resultados, la forma en que la célula obedeció absolutamente estas señales me dejó sin aliento ".

Según Bade, La comprensión de la rigidez de los tejidos y su papel en el cambio de los comportamientos celulares ha tenido implicaciones dramáticas en la atención médica y en la forma en que los investigadores abordan enfermedades como el cáncer. Este nuevo trabajo sugiere que los campos de curvatura visibles a simple vista también son una pista importante. Teniendo esto en cuenta al observar estados de enfermedad, Bade dice:podría influir en la forma en que las personas entienden cosas como las enfermedades vasculares.

Stebe dice que las preguntas que abre esta investigación pueden allanar el camino hacia nuevas herramientas en biología.

"En ciencia e ingeniería, una vez que sabemos que podemos organizar algo, podemos encontrar una manera de usarlo, ", dice." Por ejemplo, aquí, Hay preguntas interesantes sobre cómo interactúa el núcleo con las entidades circundantes dentro de una célula. Y ahora tenemos dos formas agradables de confinar el núcleo:bajo tensión, fibras en cilindros, que aprietan el núcleo, y bajo los acordes que envuelven el núcleo sin comprimirlo. Estos resultados son interesantes para los compañeros investigadores, que puede ayudarnos a profundizar en la biología para preguntarnos sobre las implicaciones de estos efectos en la expresión génica y el destino celular ".