En apenas dos minutos, una célula del sistema inmunológico inmobiliza, envuelve, devora y destruye una partícula extraña al organismo, tal como una bacteria o un parásito. Este fenómeno es conocido como fagocitosis – del latín fagos (comer) y citosis (célula) – y deriva de un tipo específico de fluctuaciones que se producen en la superficie de la célula calificadas como grandes, por formar olas similares a las del mar, de una altura de algunos micrones (un micrón es la millonésima parte de un metro), tal como fue comprobado mediante una serie de experimentos recientes realizados por investigadores del Laboratorio de Física Estadística y Biofísica de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG).
Este resultado altera uno de los modelos teóricos propuesto hace casi 30 años por investigadores estadounidenses para explicar la fagocitosis, el modelo cremallera, según el cual pequeñas vibraciones normales – también llamadas aleatorias, que se extiende por toda la superficie celular y se asemejan a las de una piscina en un día de poco viento – provocarían este proceso, utilizado por las células en el combate contra agentes extraños al organismo, tales como bacterias y hongos. En el futuro, este descubrimiento puede levar al desarrollo de drogas más eficientes en el combate contra infecciones.
El camino para arribar a esa conclusión fue largo. Primeramente los investigadores de Minas Gerais desarrollaron una técnica innovadora, descrita en un artículo científico en vías de publicación, que permitió observar y filmar detalles de los dos tipos de movimiento de la superficie celular en el microscopio óptico. Dicha técnica, denominada microscopía de desfocalización, altera el foco de la imagen por distancias inferiores a un micrón, permitiendo de este modo ver y medir la curvatura de la superficie celular, un parámetro importante para la evaluación de la cantidad de energía gastada por las células de defensa, como los macrófagos, para engolfar al patógeno.
Pinzas de luz
Este método únicamente funcionó cuando se lo asoció a otro, creado en los años 70 por el físico estadounidense Arthur Ashkin, de los Laboratorios Bell, de Estados Unidos. La técnica, conocida como pinzas ópticas – haces concentrados de láser capaces de sujetar y mantener suspendidos átomos, moléculas y células -, anteriormente aplicada a la física, fue adaptada a los estudios en biología en los últimos años. Con el auxilio de esas pinzas de luz, el físico Oscar Nassif de Mesquita, de la UFMG, y su alumno de doctorado Ubirajara Agero, lograron aislar un macrófago de ratón común, sin destruirlo, y alimentarlo con partículas de zymosan, una levadura utilizada en experimentos de fagocitosis en laboratorio.
En el análisis de este fenómeno, aparecieron tanto las olas grandes como las pequeñas – pese a que solamente las grandes participaban activamente en la emisión de prolongamientos para englobar a la partícula. “Nuestro objetivo era entender de qué modo las propiedades mecánicas de la superficie de la célula actúan sobre el proceso de fagocitosis”, explica Mesquita, coordinador del trabajo, desarrollado en colaboración con Catherine Ropert, del Centro de Investigaciones René Rachou, de la Fundación Oswaldo Cruz (Fiocruz), en Belo Horizonte, y Ricardo Gazzinelli, que trabaja en la Fiocruz y en el Departamento de Inmunología y Bioquímica de la UFMG.
Al medir el tamaño de las olas, los investigadores lograron calcular la energía utilizada por las células para generar los movimientos. Mientras que las pequeñas fluctuaciones, que se producen en toda la superficie de la célula, no gastan prácticamente energía (la temperatura del cuerpo de 37° C es suficiente para producirlas), las ondulaciones grandes consumen 100 veces más energía.
Perspectivas
No obstante, faltaba la comprobación del nuevo mecanismo de la fagocitosis. Los investigadores agregaron al medio de cultivo de los macrófagos una droga que altera la consistencia del esqueleto de las células e inhibe la formación de las grandes ondulaciones: la citocalasina D. Al medir nuevamente la duración del proceso, verificaron que el tiempo empleado para aniquilar al invasor aumentó 60 veces, de dos minutos a dos horas, confirmando la importancia de las grandes ondulaciones para la fagocitosis.
“Estos resultados abren el camino para el estudio de medicamentos que actúen en la estructura de sostén de las células y en la producción de energía para incrementar la eficacia de la fagocitosis”, comenta Mesquita, que hace tres años que se aboca al análisis de los sistemas biológicos, y este año publicó dos artículos sobre el uso de pinzas ópticas -uno en la revista Physical Review E y otro en Applied Physics Letters, ambas publicaciones de la Sociedad Estadounidense de Física.
Las pinzas ópticas también están ayudando al equipo de Minas Gerais a estudiar fenómenos biológicos a escala molecular, más específicamente la elasticidad de la molécula de ADN. Esta propiedad física suministra al material genético la capacidad de doblarse sobre sí mismo para caber en el núcleo de la célula, que tiene unos pocos micrones – el ADN contenido en una única célula llegaría casi a 2 metros de longitud si se lo estirase.
Interacción
Tras aislar un segmento de ADN con la ayuda de las pinzas, Mesquita y su alumno Nathan Viana midieron la flexibilidad de la molécula con un método creado por ellos mismos. Dicho procedimiento, designado como esparcimiento dinámico de luz y descrito en el doctorado de Viana, concluido en mayo, evalúa la intensidad de un láser reflejado por esferas de poliestireno conectadas al ADN.
El experimento permitió la convalidación de la técnica, que sería empleada ya este año para analizar la interacción del material genético con proteínas y con medicamentos, sustancias que alteran la elasticidad de la molécula. De tal manera, los investigadores esperan comprender mejor el proceso de duplicación del ADN. Recientemente el equipo comenzó a evaluar los daños ocasionados en una molécula de ADN por la radiación ultravioleta, como la que causa las quemaduras solares. “Pretendemos observar la evolución en el transcurso del tiempo de los daños provocados en una sola molécula”, explica Mesquita. “No conocemos todavía todas las posibles implicaciones de ello, pero creo que será importante para evaluar el riesgo de cáncer de piel causado por el mismo tipo de daño”.
Otra línea de investigación a la cual el equipo del investigador se aboca es el estudio del transporte de agua en las células renales, más específicamente el proceso de pérdida de agua de la célula a favor del medio externo, más concentrado en sal, la sustancia empleada en el experimento, por ejemplo. Como consecuencia de ese proceso, denominado ósmosis, la célula comienza a marchitarse e inmediatamente activa su mecanismo de regulación de volumen, de manera tal retornar al estado inicial – ésa es la osmorregulación, otro mecanismo esencial.
En el marco de un trabajo realizado conjuntamente con Robson dos Santos, del grupo de hipertensión del Departamento de Fisiología de la UFMG, Mesquita y su alumna de doctorado Aline Duarte Lúcio midieron con precisión mayor que otros métodos el volumen de agua perdido en el proceso, al observar una célula renal de perro aislada y en suspensión en el medio de cultivo con el auxilio de pinzas ópticas. También calculó la velocidad de las osmosis, que los especialistas denominan permeabilidad, que se mostró mucho menor que en las estimaciones anteriores: apenas 5 micrones por segundo – los trabajos que habían evaluado la ósmosis mediante la observación indirecta en agrupamientos de células, estimaban esa velocidad entre 0,5 y 50 micrones por segundo. “Con la eliminación de la interferencia de otras células y del contacto con la lámina de vidrio del microscopio, que deforma a la célula e impide la medición directa, disminuye mucho la posibilidad de error”, comenta Mesquita.
Permeabilidad
Los investigadores siguieron en tiempo real la ósmosis y cuantificaron, en función de dicho tiempo, la permeabilidad de la membrana de la célula con relación al agua, debida a la creación de canales en la membrana celular por la acción de proteínas especializadas: las acuaporinas. En las experiencias se utilizaron cantidades variadas de NaCl (cloruro de sodio o sal común) en el medio externo, para forzar la salida de agua de la célula, que se marchita rápidamente en algunos segundos, pero enseguida acciona su mecanismo de regulación de volumen, en un proceso denominado osmorregulación, para retornar prácticamente a su volumen original en alrededor de diez minutos.
Esta fase es más lenta, ya que el soluto – los compuestos disueltos en el interior de la célula, entre los cuales se encuentran minerales como el potasio – deben migrar hacia regiones específicas de la célula, osmóticamente activas, de manera tal invertir el flujo de agua. La adición de la hormona vasopresina, producida naturalmente por el cuerpo y relacionada a la hipertensión, aumenta la permeabilidad, porque provoca la migración de nuevas acuaporinas hacia la superficie de la célula. El paso siguiente, comenta Mesquita, consistirá en realizar experimentos en células renales de dos grupos de animales: hipertensos y normales. De allí pueden surgir más detalles sobre alteraciones en los mecanismos de transporte de agua potencialmente útiles en la búsqueda de nuevas drogas para tratar la presión alta y problemas en los riñones.
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