LEO RAMOSLuego del boom de los estudios sobre el genoma y las proteínas, los investigadores de las ciencias biológicas están volcando su atención hacia los procesos de diferenciación celular implicados en el desarrollo de cada individuo, desde la etapa embrionaria hasta su fase adulta. Un ejemplo de ello es el trabajo del ingeniero electrónico Luciano da Fontoura Costa, docente del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP). Fontoura Costa desarrolló e implementó métodos computacionales destinados a analizar imágenes de células del epitelio, el tejido que recubre interna y externamente los órganos. El objetivo era comprobar las conexiones entre las células y delinear la red de contactos de cada una de ellas, transformando esas informaciones en grafos, una especie de diagramas, representados como un conjunto de puntos (nodos o vértices) conectados por rectas.
Este trabajo dio como resultado un artículo publicado recientemente en la revista científica Nature Communications. Allí, los investigadores demuestran cómo pueden identificar, con mayor precisión y sensibilidad, el inicio de la especialización de las células. Según Costa, el estudio es consecuencia de años de trabajo conjunto con los investigadores Madan Babu y Luis Escudero, ambos del Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, en Inglaterra. “El principal objetivo de esta investigación fue estudiar la organización epitelial en forma más amplia y sistemática, utilizando no sólo medidas de la morfología de cada célula, sino también una red de contactos entre ellas”, explica Costa.
El investigador realizó la caracterización geométrica de cada célula registrada en imágenes microscópicas del epitelio de alas y ojos de embriones de pollo y de la ninfa de drosófila, la mosca de la fruta, obtenidas por sus colegas de Cambridge. Costa incluso trazó la red de contactos entre las células y realizó un análisis multivariado de los datos, un método estadístico que considera más de una variable aleatoria simultáneamente y sirve para establecer la naturaleza, posibilitando, entre otras cosas, clasificar datos, probar hipótesis y hallar patrones.
Por cada tipo de epitelio se recabaron imágenes de varios individuos diferentes y, por cada imagen, se generó un vector de características, compuesto por medidas tales como los promedios y los desvíos patrón de la superficie de una célula vista en el microscopio, el número de arcos conectados a un nodo de la red, el grado de interconexión entre los vecinos de un nodo, la cantidad promedio de vecinos que poseen los vecinos de un nodo. “Esto hizo posible comparar en forma más completa epitelios en distintos niveles de desarrollo, de diferentes tejidos, órganos y especies, más allá de la variación natural en la organización de ese tejido entre uno y otro individuo”, relata.
Los investigadores realizaron este trabajo empleando un abordaje que ellos denominan representación geométrica y de red de la organización epitelial (GNEO, según su sigla en inglés). Mediante esta estrategia, lograron verificar la organización del epitelio tomando en cuenta los patrones de contactos de las células. La GNEO permite también cuantificar diferencias entre epitelios de organismos y tejidos diversos, incluso cuando el tamaño y la forma de las células que los constituyen son visualmente indistinguibles. “Demostramos que los epitelios de órganos y especies diferentes cuentan con estructuras distintas y cuantificables”, dice Costa.
Forma, conexión y función
El trabajo publicado en Nature Communications representa un paso más allá del que había sido dado en los anteriores estudios, que tenían en cuenta solamente la geometría y el tamaño de las células. Ahora el modelo también incluye datos acerca de la conexión entre las células, relacionada con las funciones específicas que desempeñan. Costa explica que al comienzo de la formación del embrión todas las células son iguales – con formato hexagonal – y las conexiones entre ellas se asemejan a una colmena. Cuando las células comienzan a cambiar de forma, tornándose más alargadas, esféricas o similares a un cubo, es un indicio de que está comenzando el proceso de diferenciación o especialización celular. Se trata de un momento crítico para la formación de los tejidos y los órganos.
El problema es que nadie sabe qué es lo que dispara ese cambio. “No es el ADN, ya que éste es el mismo para todas las células”, dice Costa. “Pero sucede que algunas van a convertirse en riñón, otras en corazón y otras en neuronas. Qué determina esto es lo que aún resta por descubrirse en la biología”. Por esta razón, mediante el mapeo de los genomas, se volvió fundamental comprender cómo cada gen es activado o inhibido durante el desarrollo. En opinión de Costa, el control de la expresión génica ocurre bajo la influencia de varios factores, internos y externos al individuo, tales como la gravedad, la diferencia en la concentración de moléculas y la temperatura, entre otros. Asimismo, las propias estructuras existentes en el organismo durante el desarrollo afectan de manera no uniforme la expresión génica en las células del entorno, por ejemplo, mediante la difusión de moléculas de señalización.
Este trabajo arroja algo de luz sobre esa cuestión. Y permitió verificar, por ejemplo, qué es lo que más aporta a la diferenciación entre epitelios. “Descubrimos que la superficie de las células poco aporta en lo que hace a la diferenciación entre las estructuras de diferentes especies”, comenta Costa. “En realidad, son las características de la red de contactos las que proveen las medidas más discriminatorias en esos casos. Revelamos que, durante la diferenciación celular, la relación entre vecinos resulta más importante que la forma”. Dicho de otro modo, la red de contactos es muy importante para establecer las características de desarrollo de los tejidos, aportando así nuevas informaciones al respecto de cómo éstos se diferencian.
Según Costa, se posee una buena noción acerca del aporte de los mecanismos genéticos (signos externos y recorridos regulares del gen asociado) y de la mecánica celular (patrones propios establecidos según el índice de división celular) para la formación de las estructuras multicelulares y para el desarrollo de la arquitectura epitelial en varios sistemas modelo. Pero hacían falta modelos para caracterizar y cuantificar las similitudes y diferencias en la organización de ese tejido de manera más precisa y concluyente. “Uno de los principales objetivos de nuestro trabajo fue ayudar a llenar esa laguna, proporcionando tales medios”, dice. “Además, nuestro abordaje también puede aplicarse a otras muestras biológicas, tales como las conexiones entre células nerviosas, musculares y tumorales, así como servir de base para la medicina regenerativa”.
El Proyecto
Modelado por redes (grafos) y técnicas de reconocimiento de patrones: estructura, dinámica y aplicaciones (nº 2005/00587-5); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Roberto Marcondes Cesar Junior – IME / USP; Inversión R$ 384.090,51 (FAPESP)
Artículo científico
ESCUDERO, L. M. et al. Epithelial organisation revealed by a network of cellular contacts. Nature Communications. 8 de nov. 2011.
