El estudio es el primero en descubrir que el volumen celular puede influir en el papel futuro de las células madre, independientemente del entorno
Agregar o quitar agua de una célula madre puede cambiar el destino de la célula, según descubrieron los investigadores en un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
La investigación encontró que alterar el volumen de una célula cambia su dinámica interna, incluida la rigidez de la matriz que recubre la superficie exterior. En las células madre, la eliminación de agua condensa la célula, lo que influye en las células madre para que se conviertan en células pre-óseas rígidas, mientras que la adición de agua hace que las células se hinchen, formando células pre-grasas blandas.
Los investigadores han entendido durante mucho tiempo que las células madre están influenciadas por las células que las rodean, captando pistas sobre cuál debería ser su función en función de la rigidez de las matrices de las células vecinas.
Los resultados, sin embargo, confirman que la naturaleza juega un papel tan importante como la crianza en el comportamiento y desarrollo de las células madre.
El estudio fue dirigido por Ming Guo, profesor asistente d’Arbeloff en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; y David Weitz, Profesor Mallinckrodt de Física y Física Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard.
«Por primera vez, estamos comenzando a comprender la importancia del volumen celular y el contenido de agua celular en las propiedades mecánicas y las funciones fisiológicas de las células», dice Guo, quien comenzó la investigación como estudiante de posgrado en el laboratorio de Weitz en Harvard.
«Los hallazgos de este estudio agregan una nueva herramienta fascinante a nuestra comprensión y utilización de la biología de células madre para la medicina regenerativa», dice Praveen Arany, coautor y profesor asistente en el Departamento de Biología Oral de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Buffalo. .
La línea entre el hueso y la grasa
La investigación originalmente buscaba comprender los efectos del volumen en las características y funciones de una célula. El volumen celular está muy regulado y cambia con frecuencia a lo largo de la vida de una célula, aumentando a medida que la célula crece y disminuyendo cuando se divide.
Estos cambios de volumen son el resultado de variaciones en la cantidad de proteína, ADN y otros materiales dentro de la célula, aunque en su mayoría permanecen constantes. Pero las células también pueden experimentar cambios rápidos y extremos en tamaño y densidad a través de la absorción o liberación de agua, extendiéndose o encogiéndose en tan solo 20 minutos.
Al aumentar o disminuir el volumen de las células en un 20 por ciento, los investigadores encontraron que las células experimentaron varios cambios internos, incluso en la expresión génica y la rigidez.
Conociendo el papel que juega la rigidez celular en el desarrollo de las células madre, los investigadores comenzaron a preguntarse si el volumen celular también podría afectar su destino.
Para probar la premisa, los investigadores colocaron células madre en su volumen normal en un sustrato de hidrogel endurecido para simular la rigidez de las células óseas. Después de una semana, una gran parte de las células madre se convirtieron en células preóseas.
El experimento se repitió con un sustrato de hidrogel suavizado. En el ambiente más suave, hubo una disminución significativa en la cantidad de células madre que se convirtieron en células preóseas. Sin embargo, cuando se eliminó el agua de las células para disminuir su volumen en un 20 por ciento, aumentó la cantidad de células madre que se convirtieron en células preóseas, a pesar de estar en el sustrato más blando.
Se realizó un experimento similar usando vidrio. Los investigadores colocaron células madre en vidrio para simular un entorno más rígido y descubrieron que pocas de las células se convirtieron en células pregrasas. No fue hasta que el volumen de las células madre aumentó en un 20 por ciento que se encontró un pico en la formación de células grasas.
Los investigadores descubrieron que cambiar el volumen de las células hacía que se comportaran de manera similar a si estuvieran bajo presiones ambientales.
«Lo sorprendente de estos experimentos es la observación de que el volumen parece estar relacionado con gran parte de la célula. Parece dictar la rigidez de la célula, así como el destino de la célula», dice Weitz, quien también es miembro principal de la facultad de la Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering y director del Materials Research Science and Engineering Center de Harvard.
«Estas observaciones también pueden tener implicaciones en los medios externos para monitorear el destino celular, lo que puede ser importante para futuras aplicaciones biotecnológicas».
Se necesitan estudios futuros para examinar los efectos de los variados cambios en el volumen, así como si el volumen celular o las señales externas son el factor dominante en el destino de las células madre.
El futuro de la medicina regenerativa
Las células madre se encuentran a la vanguardia de la medicina regenerativa, brindando a los investigadores y médicos el potencial para reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados.
Con la capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula especializada, desde una célula muscular hasta un glóbulo rojo o una célula cerebral, las células madre tienen el potencial de tratar diversas enfermedades y afecciones, desde enfermedades cardíacas hasta la pérdida de dientes. El trasplante de médula ósea, una forma de terapia con células madre, ya se usa ampliamente.
Las células madre también pueden ayudar en el desarrollo de fármacos y la comprensión de cómo se producen el cáncer y los defectos de nacimiento.
Aprender qué causa la diferenciación entre estas células ayudará a los investigadores a generar métodos que influyan en su comportamiento y, en última instancia, a desarrollar nuevas terapias.
Aparte de las señales físicas, como la rigidez o el volumen de las células, la diferenciación de las células madre puede verse influida por una serie de factores biológicos, agentes biofísicos o fármacos, como la luz, el ultrasonido y las radiofrecuencias.
