Todos los animales, incluyendo los humanos, surgen de una única célula que se va dividiendo para crear otras células que son idénticas genéticamente, pero que comienzan poco a poco a diferenciarse para formar órganos y tejidos distintos, como el corazón, los pulmones, la piel o los huesos. Para lograrlo, estas células necesitan agruparse, organizarse y moverse a zonas específicas del cuerpo en desarrollo para formar esos órganos y cumplir su función.
¿Cómo y por qué se mueven? Responder esa gran pregunta -que permitiría conocer en detalle la formación de un ser vivo- era un trabajo vinculado hasta hace poco a los biólogos, pero en el que hoy los físicos tienen mucho que decir.
“Las células no se mueven en el vacío, sino que, apoyándose en otras células, tejidos y en la matriz extracelular. Entonces, ejercen fuerzas para empujarse y desplazarse. Esas fuerzas generan deformaciones y reacciones de todo el conjunto. Ahí la física puede ayudar a caracterizar, medir y comprender cómo estas fuerzas están actuando y cómo responde el medio. El análisis mecánico del movimiento de las células se complementa al puramente biológico y hay toda un área de trabajo que se llama mecano-biología, donde trabajan físicos y biólogos”, explica Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa.
Es por esto que en el Núcleo Milenio, físicos y biólogos se han unido para trabajar con peces cebra y anuales, que tienen la ventaja de que sus embriones son transparentes, por lo que pueden ver todo el movimiento de sus células durante su desarrollo. ¿Qué han descubierto?
Hallazgos
Hasta ahora, el equipo interdisciplinario de investigación ha realizado algunos hallazgos. La graduada de Magíster en física del Núcleo Milenio, Susana Márquez, y los biólogos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile, Miguel Concha y Eduardo Pulgar descubrieron cuáles son las fuerzas mecánicas que actúan para que las células migren o se muevan en plena etapa del desarrollo de un órgano. Para ello estudiaron en el pez cebra un órgano que se forma muy tempranamente y que se llama vesícula de Kuffer. Este órgano se forma por un conjunto de unas pocas células que son transportadas de un lado a otro del huevo. Los científicos se dieron cuenta que es importante que en este “transporte” se pierdan pocas células, ya que, de otro modo, el órgano no se formará.
“Hemos entendido cuáles son las fuerzas que actúan para que estas células migren: son empujadas por una capa superior, pero al mismo tiempo, se unen entre ellas para ir a su destino. Lo que mostramos es que ninguna de estas fuerzas por separado es suficiente; sino que ambas, empuje y unión, deben actuar conjuntamente para que el movimiento ocurra”, explica Soto.
En otro trabajo, el físico del Núcleo Milenio Néstor Sepúlveda y los biólogos Miguel Concha y German Reig estudiaron el pez anual y se dieron cuenta que un conjunto de células que son importantes para el desarrollo posterior del pez se distribuyen -lo más uniformemente posible- en la superficie del huevo. ¿Cómo lo hacen? Descubrieron que estas células se ubican en los bordes de otras células más grandes, las que, al moverse, las pueden arrastrar eficientemente.
¿Pero qué hace que esas células se vayan a los bordes las células más grandes? Otra investigación, de los físicos del Núcleo Milenio, Rodrigo Soto y Susana Márquez y los biólogos Miguel Concha y Germán Reig, entregó la respuesta: Hallaron que los bordes de las células suelen estar más tensos y que las células migratorias tienden, solo por efecto de fuerzas mecánicas, a irse hacia las zonas más tensas.
Impacto
¿Cuál es la importancia de este conocimiento? Además de conocer más sobre cómo se forma un ser vivo y todas las implicancias que ello tiene, estos estudios pueden ayudar a comprender mejor algunas enfermedades asociadas a la formación defectuosa de órganos. “Algunos órganos no se forman bien o no tienen la forma o el tamaño adecuado y es posible que eso ocurra porque en su formación no llegaron al lugar indicado tantas células como era necesario, por ejemplo”, explica Soto.
También permiten entender el proceso de sanación de una herida, en el que muchas células migran hacia la zona dañada para empezar a repararla. “Esta migración, o movimiento celular dirigido, puede ser favorecido o bloqueado por diversos factores y entender esos factores es clave para ayudar, por ejemplo, a que las heridas se curen más rápidamente”, explica el director del Núcleo Milenio.
Finalmente saber cómo se mueven las células puede dar nuevas respuestas sobre el cáncer, ya que se ha descubierto que en proceso del origen del cáncer hay un componente mecánico donde las mismas células cancerígenas cambian sus propiedades físicas y responden de forma mucho más sensible a cambios de rigidez en los tejidos. “Hemos descubierto que si las células con oncogenes están en un ambiente mecánico-físico igual al que pertenecen no desarrollan malignidad, pero si están en un ambiente mecánico rígido, sí lo hacen. En un ambiente rígido también se hacen más mutaciones y se propaga más fácil el cáncer. Por lo que la mecánica nos podría servir para entender -y en el futuro tener intervenciones- sobre cómo evitar el origen del cáncer o su propagación, manipulando el ambiente mecánico de las células en sus tejidos”, explica Miguel Concha, académico de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile e investigador adjunto del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa.
Nuevo estudio
El Núcleo Milenio está realizando un nuevo estudio sobre movimiento celular, liderado por la estudiante de doctorado Fernanda Pérez, quien está trabajando con peces anuales para ver cómo se propagan las fuerzas a través de un tejido.
Pérez está estudiando un proceso muy particular, donde unas pocas células se vuelven un poco más chicas por un tiempo corto. “Está analizando cómo reacciona todo el tejido ante esto, lo que permite entender cómo se propagan las fuerzas. Además, se han propuesto modelos que buscan describir a estos tejidos y Fernanda está probando si, efectivamente, esos modelos de verdad describen a estos sistemas”, explica Soto.