Células: ¿por qué la forma importa? Understand article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. Las nuevas técnicas están poniendo de manifiesto cómo las células controlan su forma – y los cambios que podrían desencadenar una señal de alerta para una enfermedad.

Miles de millones de años de evolución han conferido a los organismos vivos una ampliva diversidad de formas y aspectos, desde la irregularidad amorfa de animales simples como las esponjas, a la esculpida y simétrica forma de criaturas más complejas, incluyendonos a nosotros. Pero no solo el cuerpo de los organismos tienen un amplio rango de formas: sus células también.

Las formas de las células normalmente están relacionadas con sus funciones. Las neuronas de nuestro cerebro, por ejemplo, tienen ramificaciones que les dan aspecto estrellado para establecer una conexión en red con otras neuronas y, las células rojas de la sangre tienen forma de discos biconcavos para maximizer su capacidad de transportar oxígeno a la vez que les permite oprimirse a través de los estrechos vasos sanguíneos. Por el contrario, los macrófagos (un tipo de células blancas de la sangre) han cambiado, una forma similar a amebas que les ayuda a engullir cuerpos extraños. En el mundo vegetal, las formas de las células varían desde la elaborada forma en espina de los granos de polen – adaptados para ser capturados por el viento o adherirse a los insectos polinizadores – a la forma de riñón expansible de las células guarda, que cierran y abren los estomas de las hojas. Las células pueden además adquirir formas más complicadas, como prismas retorcidos o “escutoides”; estás son las maneras que tiene la naturaleza de permitir curvarse a los tejidos epiteliares.

Human blood, showing biconcave red blood cells
Sangre humana, muestra de células rojas biconcavas, células T (naranja) y plaquetas (verdes)
ZEISS Microscopy/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Pollen grains from a variety of common plants
Granos de polen de diferentes variedades de plantas communes, mostrando la diversidad de sus formas
Dartmouth College Electron Microscope Facility/Wikimedia Commons, CC0

Formas que cambian

Si bien la forma de una célula está relacionada con su función, muchas células tienen el potencial de cambiar su forma. Esta habilidad es crítica durante el desarrollo embrionario, cuando los tejidos están sufriendo un drástico plegamiento, formando surcos y flexionándose para la formación de los órganos. En los embriones de la mosca de la fruta, por ejemplo, el proceso de gastrulación – en el cual una esfera de células embrionarias comienza a diferenciarse en los distintos tejidos – es guiado a través de un cambio en la forma cellular llamado constricción apical. Las células epiteliares de uno de los lados del embrión cambian desde una forma en columna a forma de botella, haciendo que el epitelio se redondee y adquiera forma de tubo (figura 1).

Cambios mucho más drásticos de la forma cellular también tienen lugar cuando grupos de células migran desde una parte a otra del embrión. En embriones de pez cebra, las células implicadas en el desarrollo de la “línea lateral” (un órgano sensitivo presente en peces) desarrollan pequeñas protusiones móviles llamadas filopodios y lamelipodios. Estos aparecen en el borde delantero del grupo y parece ser que se encargan de guiar al grupo entero en una dirección en particular (figura 2).

Gastrulation in fruit fly embryos
Figura 1: Gastrulación en embriones de la mosca de la fruta: las células epiteliares cambian de forma, causando plegamientos.
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Embryo: Embrión; Epithelial cells: Células epiteliares
 
Migrating cell cluster in zebrafish
Figura 2: Migración de un grupo de células, mostrando el cambio de forma de las células del borde delantero
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Protrusions on leading edge: Protusiones en el borde delantero; Direction of migration: Dirección de la migración
 

Los cambios de forma son también importantes en la división celular, que juega un papel fundamental en muchos procesos de desarrollo. Cuando la mitosis (división celular) comienza, las células cambian de planas a esféricas. Los experimentos que confinan las células en división dentro de canales microscópicos, restingiendo sus dimensiones, revelan que el estado esférico es esencial para la distribución equitativa de los cromosomas entre las células hijas. Si se evita que ocurra este cambio de forma la división fracasa (Lancaster et al., 2013).

Control de la forma celular

Pero, ¿qué es lo que controla realmente la forma celular? Aunque aún no se tiene un conocimiento íntegro, hemos descubierto algunos de los procesos moleculares y mecánicos que determinan la forma de una célula. Estos hayazgos se han obtenido en organismos muy familiares para los laboratorios como es la mosca de la fruta y el pez cebra, o de células cancerígenas crecidas en cultivo, aunque muchos de los procesos implicados parecen ser universales.

Una parte importante que influencia la forma de la célula es el cortex – una red de proteínas estructurales que forman una capa debajo de la membrana extracellular. Las propiedades físicas del cortex determinan cómo de rígida o blanda es la superficie celular y, por lo tanto, cómo de maleable es una célula entera. El cortex está formado principalmente por dos tipos de proteínas que están íntimamente relacionadas con las proteínas que forman las fibras musculares contractiles: la actina, que forma largos microfilamentos; y la miosina, que se une a los microfilamentos de actina y utilizan energía química para moverlos, actuando como un motor. Este sistema genera la contracción de una manera semejante al sistema actomiosina de los músculos.

Human skin cells in culture
Células de piel humana en cultivo, mostrando filamentos de actina en rojo y el núcleo celular en azul
Vshivkova/Shutterstock.com
 

Los científicos han identificado, así mismo, cientos de proteínas reguladoras que interaccionan con los microfilamentos de actina en el cortex. Descubrir cómo estas proteínas afectan al cortex y, por lo tanto, a la forma celular, es un área en auge de investigación. Una técnica común usada para estudiarlas es bloquear la producción de proteínas reguladoras de una sola vez usando siRNAs (moléculas de ARNs pequeños de interferencia), que silencian genes particulares. En otros experimentos se ha analizado cómo apagar los “motores” de miosina o cómo cortar los microfilamentos de actina en fragmentos que afectan la forma celular.

Un descubrimiento clave es que la actomiosina del cortex controla la forma celular mediante la creación de tension en la superficie celular, parecido a la tensión en la superficie de un globo. Si los motores de miosina son inhibidos o los filamentos de actina se rompen, la tensión se pierde y la superficie celular forma protuberancias, alterando su forma.

En muchos casos, la forma de las células está determinada por fuerzas externas. Por ejemplo, las células epiteliares en las alas de una mosca de la fruta tienen forma hexagonal porque están empaquetadas juntas en un estrecho panal, con cada célula rodeanda por al menos 6 células vecinas. Igualmente, las células que constituyen nuestros capilares sanguíneos son esculpidas por el flujo de la sangre, haciendo que se vuelvan más alargadas y se alineen paralelamente al flujo.

Forma celular y enfermedad

Los cambios en la forma de la célula tienen un papel esencial en el desarrollo de muchas enfermedades, incluyendo aquellas causadas por organismos infecciosos y otras desencadenadas por genes defectuosos. Por ejemplo, las mutaciones que causan cancer pueden hacer que la célula pierda las adhesiones que la unen a las células vecinas, convirtiéndolas en amorfas y deformables – y, por lo tanto, ayudándolas a viajar y crecer en otras partes del cuerpo. En la enfermedad de Alzheimer, las mutaciones afectan a las dendritas que conectan las células cerebrales, haciéndolas más cortas o con menos ramificaciones en la parte final. En la anemia falciforme, una mutación confiere a las células rojas de la sangre un curvatura, forma falciforme, mientras que en la malaria – una enfermedad que se produce cuando el parásito Plasmodium infecta a los glógulos rojos – las células se vuelven más rígidas y menos deformables.

Red blood cells, some showing sickled shape
Glógulos rojos, algunos mostrando la forma curvada característica que causa la anemia falciforme
Viv Caruna/Flickr, CC BY-2.0
Red blood cell infected with malaria
Glóbulos rojos, uno de ellos (en el centro) con el cambio de forma debido a la malaria
Rick Fairhurst/Jordan Zuspann/National Institute of Allergy and Infectious Diseases/National Institutes of Health/Flickr, CC BY-NC 2.0
 

Aunque en la actualidad sabemos que esas anormalidades en la forma de la célula se pueden apreciar en la mayoría de las enfermedades comunes y difíciles de tratar (como el cáncer o el Alzheimer), no siempre está claro si estos defectos tienen un rol causal o son meros síntomas de la enfermedad. No obstante, el estudio de la forma celular y, las nuevas técnicas para llevarlo a cabo, ofrecen una nueva línea de investigación para estudiar cómo se desarrollan esas enfermedades.

Por ejemplo, la colaboración entre biólogos y físicos ha dado paso a una técnica llamada citometría de deformabilidad a tiempo real o RTDC (ver el cuadro de texto). Así mismo, con el avance de nuestro conocimiento de la forma celular y su papel en el desarrollo y las enfermedades, esta nueva técnica puede resultar una manera eficaz de detectar células cancerígenas en estado precoz. Estas técnicas aportan una esperanza para nuevos métodos diagnósticos que podrían salvar vidas detectando la enfermedad antes, cuando el tratamiento tiene muchas más posibilidades de éxito.

La tecnología de la forma celular

Las nuevas tecnologías han hecho posible medir la tensión en la superficie de células individuales, que en cierto modo nos dice cuánta tensión hay en el córtex subyacente. Las tres técnicas más comunes para medir la tensión superficial de la célula son la microscopía de fuerza atómica, la micropipeta por aspiración y la ablación por láser.

Atomic force microscopy
Figura 3: Microscopio de fuerza atómica
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Fine probe (tip deflected): Sonda fina
(punta desviada); Cell membrane:
Membrana celular; Cortex: Córtex

El microscopio de fuerza atómica usa una punta fina de metal, más fina que un pelo, para explorar la superficie celular (figura 3). El nivel de desviación de la muestra revela cómo de rígida es la superficie. Usando esta técnica, los científicos han descubierto que un aumento en la tensión produce cambios en la forma de plana a esférica en los estadíos tempranos de la división celular. La micropipeta de aspiración implica medir la fuerza requerida para subcionar una porción de una célula dentro de una pipeta microscópica (figura 4). En la ablación por láser se requiere romper la red de microfilamentos de actina en el córtex con un láser y medir la correspondiente regresión ya que ambos lados del córtex se retráen como dos bandas de goma cortada.
 

Micropipette aspiration
Figura 4: micropipeta de aspiración
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Micropipette: Micropipeta;
Cell membrane: Membrana
celular; Cortex: Córtex

 

Aunque estos tres métodos son efectivos, miden sólo una célula cada vez. Otra técnica, la citometría de deformabilidad a tiempo real (RTDC), puede medir cientos de células por segundo (Otto et al., 2015). En la RTDC, una suspension de células es bombeada por una geringuilla a través de un canal microscópico. Las fuerzas en el líquido que fluye causa células anormalmente flexibles – como las células cancerígenas – que se deforman, mientras que células más rígidas están menos afectadas. Una cámara transmite a un microscopio las imagenes grabadas de las células que han pasado y, éstas son procesadas mediante un programa informático.

Los avances en óptica han hecho también posible capturar imagenes detalladas en 3D de células vivas e incluso ver moléculas individuales de proteínas en su interior, mediante el uso de microscopio de barrido. Estos microscopios con una alta resolución han puesto de manifiesto que los filamentos de actina del córtex se organizan en haces paralelos en el ecuador de la célula durante la mitosis, maximizando la tensión que generan y, de esta forma, estrechándose para formar dos células hijas.

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Author(s)

Priyamvada Chugh nació en Delhi, India. Como investigadora ha trabajado en laboratorios en la India, Alemania, Reino Unido, investigando los cambios en la forma celular usando sistemas modelos, incluidas las células madre, mosca de la fruta y células cancerígenas. Actualmente trabaja como editor para una revista científica, ella es una apasionada de la comunicación científica y el entusiasmo que genera en una audiencia diversa.


Review

La conexión entre la forma celular y la función es esencial para entender la biología celular y tisular. Este artículo afrece una visión del mundo de la biología celular, mostrando lo importante que es la forma de la célula en el desarrollo de los organismos, la forma de los tejidos y, como marcador de una enfermedad.

El artículo sería útil como una lectura más amplia sobre biología celular para los estudiantes más mayores. Esto podría estar unido a la observación de células y tejidos con el microscopio óptico. La introducción de más biología celular en el curricula de los niveles más altos de la educación secundaria da una oportunidad para presenter las funciones de las moléculas de siRNA, que han sido mencionadas en el artículo. Finalmente los estudiantes podrían usar la idea de la forma celular como marcador de enfermedad para elaborar un póster de tipos celulares y formas, mostrando cómo varía la forma celular con la enfermedad y cómo esto es usado para el diagnóstico.


Dr Shelley Goodman, Catedrático de Ciencia Aplicada, Reino Unido.




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