Se cancela el movimiento del cuerpo y se fija la base del cilio. La línea azul corresponde a la descripción matemática de la posición del cilio. El círculo rojo corresponde a la base del cilio. El video se ralentiza en un factor de 40. Crédito:Philip Bayly
Los cuerpos humanos tienen algunos sistemas integrados para cuidarse a sí mismos. Las células que recubren nuestros pulmones nariz, el cerebro y el sistema reproductivo tienen cilios, que son diminutos, estructuras similares a pelos diseñadas para barrer los fluidos, células y microbios para mantenerse sanos. Pero los mecanismos detrás de su movimiento no se comprenden bien.
Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey y la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis quería determinar cómo la longitud afectaba la eficiencia mecánica de los cilios al batir. Descubrieron que la mayoría de las métricas mecánicas incluida la fuerza, par y potencia, aumentado en proporción a la longitud de los cilios, pero hubo un "punto óptimo" en términos de eficiencia. Los hallazgos dan una idea de los cilios en humanos y cómo los defectos conducen a enfermedades. como discinesia ciliar primaria, que se asocia con infecciones respiratorias crónicas, cambios en el eje derecho-izquierdo y defectos cardíacos. Los resultados se publicarán en la edición del 9 de abril de Revista biofísica .
El estudio fue dirigido por Mathieu Bottier, investigador postdoctoral en el laboratorio de Philip Bayly, el profesor de Ingeniería Mecánica Lilyan &E. Lisle Hughes y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales; y el laboratorio de Susan K. Dutcher, profesor de genética y de biología y fisiología celular en la Facultad de Medicina. Los investigadores utilizaron microscopía de video de alta velocidad para analizar un modelo de cilios para determinar sus métricas mecánicas. Después de analizar casi 400 videos, el equipo descubrió que el golpe más eficiente de los cilios era en su longitud natural de 10-12 micrones, o aproximadamente una quinta parte del ancho de un cabello humano.
"Algo que no esperábamos es que los cilios cortos no fueran periódicos, "Dijo Bottier." Los cilios se están moviendo, pero no encontramos ningún patrón real de golpes, nada estaba sincronizado, y ese fue nuestro primer descubrimiento ".
El equipo utilizó Chlamydomonas reinhardtii, un alga verde unicelular que normalmente nada con dos colas propulsoras y se utiliza con frecuencia como modelo para los cilios de los mamíferos. Bottier y Kyle Thomas, un estudiante de pregrado con especialización en ingeniería biomédica, usó un mutante con un solo cilio que gira en su lugar, permitiendo una grabación de video más larga. Quitaron el cilio, luego grabó el rebrote en video. El cilio tardó unos 90 minutos en volver a su longitud normal, y aunque su forma de onda varió ligeramente de la de los cilios estándar, sus características clave eran similares.
Cilio de aproximadamente 9 micrones de largo que late a unos 60 Hz. El video se ralentiza en un factor de 40. La célula está girando visiblemente gracias a su cilio único. Crédito:Philip Bayly
"Queríamos ver latir el cilio, que hicimos con el video, ", Dijo Bottier." Luego preguntamos cómo podríamos describirlo, y la mejor forma era mirar el ritmo medio. Grabamos cinco o seis ciclos de golpes que se repiten periódicamente, y de esos cinco o seis, podemos reconstruir un promedio, lo que eliminará los eventuales valores atípicos ".
El batido del cilio se produce a través de una serie de curvas que comienzan en su base y se extienden hasta la punta. El equipo descubrió que los latidos periódicos comienzan cuando los cilios se vuelven más largos de dos a cuatro micrones, lo que significa que es necesaria una longitud crítica para que los cilios laten. En investigaciones anteriores, los científicos no habían estudiado los cilios de menos de cinco o seis micrones, Dijo Bottier. Otra nueva observación es que la frecuencia de los latidos en los cilios que laten periódicamente es bastante constante en el rango normal de longitud del cilio, aunque disminuye ligeramente a medida que aumenta la longitud de cuatro micrones a 12 micrones, Dijo Bayly.
Este trabajo puede ayudar a comprender las mutaciones humanas que acortan los cilios y cómo los cilios cortos afectarán el resultado del paciente. Dutcher dijo.
Thomas dijo que la investigación proporciona una mejor comprensión de cómo operan los cilios y qué causa las oscilaciones.
"Se presentan muchos modelos diferentes sobre lo que impulsa este patrón de flexión, por lo que este estudio ayudó a saber qué modelos son más precisos y cuáles pueden tener imprecisiones, para que podamos entender cuándo hay una disfunción de los cilios, qué lo causa porque eso podría provocar algunas conversaciones sobre cómo lo tratamos, "Dijo Thomas.
