Estudios sobre la Salud humana: tres escenarios científicos de avanzada, para desarrollar soluciones antes inimaginables.

Descubren el principio matemático que posibilita la explicación sobre la manera de conectarse de las células que permite la generación de tejidos. 

El Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBIS), que es un centro mixto del Hospital Universitario Virgen del Rocío, el (CSIC) y la Universidad de Sevilla, y del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), de la Universidad de Valencia y el (CSIC), descubrieron el principio matemático que explica cómo se conectan las células para formar los tejidos.

Ilustración de un Modelo Biofísico, de células sanas y cancerosas (Rojo).Tomado de Researchgate. com.

Dando un muy importante paso para entender como es la formación de órganos durante el desarrollo embrionario y las patologías asociadas a este proceso. El trabajo, que fue publicado en la revista "Cell Systems", utilizó la "mosca de la fruta" (Ceratitis capitata) como modelo, y se prevé que tenga implicaciones en la creación de tejidos y órganos artificiales en el laboratorio, lo que es un gran reto para la biología y la biomedicina.

Sostuvo el doctor Luis María Escudero Cuadrado, investigador del (IBIS): "Nuestra investigación supuso un importante cambio de paradigma, porque hasta entonces los epitelios siempre se habían estudiado utilizando conceptos matemáticos para describir su organización en dos dimensiones, algo que está relacionado con la conexión entre las células y con cómo se comunican entre ellas para formar esos órganos correctamente. Aunque de momento el trabajo se ha centrado en las células de los epitelios tubulares, y los resultados revelan que estas presentan unas "intercalaciones apicales y basales que minimizan la energía". Teniendo esto en cuenta, los autores han desarrollado un modelo biofísico basado en la energía capaz de predecir la conectividad celular en 3D. Que las células adopten esta forma geométrica se debe al ahorro energético que supone a la hora de ´empaquetarse´ para formar tejidos cuando existe cierto nivel de curvatura, por ejemplo, cuando se forma un pliegue en un tejido".

Este equipo internacional de científicos, cuyos líderes se plantearon principios matemáticos y/o biofísicos en 3D y combinaron experimentos con tejidos de moscas y modelos computacionales de tejidos tubulares, y con ello elaboraron un modelo biofísico que relaciona por primera vez la geometría del tejido y las propiedades físicas de las células y la manera en cómo están conectadas entre sí.

Javier Buceta Fernández, doctor investigador del (I2SysBio) y quién fungió como colíder del estudio establece: "La clave son las ´relaciones sociales´ de las células, el antropólogo Robin Dunbar (nacido el 28 junio 1947) determinó que los seres humanos tenemos un promedio de cinco amigos íntimos que vienen dados por diferentes factores sociales y personales. A nivel celular, se ha desvelado que existe un principio "equivalente", concluyendo que el número de ´vecinos´ próximos de una célula, es decir, sus 'amigos íntimos', está determinado en este caso por la geometría del tejido y sus relaciones energéticas. Así, teniendo en cuenta una serie de consideraciones energéticas, biológicas, y geométricas, hemos descubierto que, por ejemplo, cuantas más conexiones tiene una célula epitelial con otras, más energía necesita para establecer nuevas conexiones con otras células, mientras que, si está poco conectada con otros ´vecinos´, la célula necesita menos energía para establecer ese vínculo". 

En esta investigación, los científicos alteraron el tejido, reduciendo la adhesión entre las células para poner su modelo a prueba. "Esto hace que cambie la organización, al ser más fácil (menos costoso energéticamente hablando) que las células contacten con nuevas células", apunta el doctor Buceta. Los resultados de los experimentos confirmaron el principio cuantitativo propuesto en el estudio. 

Imagen de un escutoide, modelo biofísico, que muestra la conectividad celular. Tomada de Medicina y Salud Publica. com.

Un escutoide es un sólido geométrico entre dos superficies paralelas. El límite de cada una de las superficies es un polígono, y los vértices de los dos polígonos extremos están unidos por una curva o una conexión con forma de "Y".

Geometría de los escutoides condiciona la conectividad celular.

Escudero y Buceta coinciden que: "Analizando el comportamiento de los tejidos desde el punto de vista de los materiales, otros trabajos previos han observado que su "rigidez" depende de la conectividad celular. De este modo, los tejidos pueden comportarse de una manera más o menos viscosa, es decir, más fluida o más sólida. Nuestros resultados muestran cuantitativamente cómo la geometría de los escutoides condiciona la conectividad celular y, por tanto, cómo pueden ser un instrumento biológico para regular las propiedades, como material, de tejidos y órganos".

Definiendo a la biofísica como una ciencia esencialmente cuantitativa, que permite viajar al interior del cuerpo y de la mente, para analizar la complejidad biológica mediante modelos físicos y matemáticos. La mentalidad biofísica percibe y piensa los códigos de la vida numéricamente.

El funcionamiento de los seres vivos, desde el cuerpo completo hasta el organelo más sencillo, es extraordinariamente complejo.  Actualmente, la biofísica ya no se limita a cálculos numéricos, se apoya de diversas herramientas disciplinarias: física, matemáticas, computación, química y biología entre otras, para generar nuevos conceptos sofisticados que se desarrollan para construir un área muy amplia y variada del pensamiento humano, que van más allá de un temario escolar típico.

Los modelos biofísico-matemáticos permiten realizar experimentos virtuales, inclusive imposibles de efectuar en la realidad; pero posibles en computadora y la mente humana. Los resultados conducen a hipotetizar, teorizar y construir nuevas realidades para beneficio de la humanidad. La formación y desarrollo de una mentalidad biofísica generará creatividad y un sentido inquisitivo inagotable, construyendo nuevos entendimientos que transformarán a la naturaleza en un camino sinfín e inagotable, abriendo nuevas líneas científicas. La biofísica es una aventura del pensamiento, que encuentra el máximo placer por el descubrimiento, capaz de predecir y adelantarse a los hallazgos experimentales. Las aportaciones de varios biofísicos han sido reconocidas con premios Nobel. La biofísica no debe buscarse solamente en los contenidos temáticos, sino en las personas que la construyen, en sus vidas, sus fracasos, sus aciertos y toda la gama de emociones que se viven cuando se descubre un secreto de la naturaleza. La biofísica aporta diversos matices, sus posibles verdades son siempre escurridizas y objeto de acaloradas polémicas, pareciera que las historias de sus creadores y sus resultados son tan diferentes, como cabría imaginar; pero que en realidad están relacionadas de un modo sorprendente y fascinante.

Y en más sobre el tema de la "Mosca de la Fruta", hay un hallazgo genético podría evitar que los mosquitos portadores de males crezcan o se multipliquen.

Un descubrimiento genético de la Universidad de California Riverside (UCR) podría convertir a los mosquitos portadores de enfermedades en insectos "Peter Pan", evitando que maduren y se multipliquen.

Etapas de desarrollo larval y pupal del mosquito transmisor de la fiebre amarilla. Foto Lewis Hun/ UCR.

Fue en el año 2018, que el entomólogo de la (UCR), Naoki Yamanaka, descubrió, contrario a la sabiduría científica aceptada, que una importante hormona esteroide requiere proteínas transportadoras para entrar o salir de las células de la mosca de la fruta: "ecdisona", “hormona de la muda”. Sin ella, las moscas nunca madurarán ni se reproducirán.

Antes de su descubrimiento, los libros de texto enseñaban que la ecdisona viaja libremente a través de las membranas celulares, deslizándose con facilidad. Sostuvo Naoki Yamanaka en un comunicado: “Ahora sabemos que ello no es cierto”.

Cada especie de insecto requiere ecdisona para algún aspecto de su viaje desde el huevo hasta el adulto que produce descendencia. Cada ejemplar que Yamanaka ha probado también posee el transportador de ecdisona que encontró en 2018, además de algunos más hallados en un nuevo estudio. Pero en éste, descubrió que los mosquitos eran diferentes.

Los mosquitos tienen sólo tres de las cuatro proteínas transportadoras que poseen las moscas de la fruta. Carecen del transportador primario de ecdisona más importante. “Misteriosamente, falta en los mosquitos”, agregó el científico.

Ilustración de la proteína "Ecdisona". Tomada de Wikipedia. org.

Estos hallazgos se publicaron en Proceedings, de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos.

El descubrimiento abre la puerta a un insecticida específico para mosquitos que no dañaría a las abejas beneficiosas ni a otros polinizadores. Afectaría a mosquitos como los utilizados en el estudio, "Aedes aegypti", que como sabemos transmiten: zika, dengue, fiebre amarilla, chikungunya y otros males.

Ha hecho énfasis Yamanaka: “Podemos desarrollar productos químicos para bloquear las funciones de estos transportadores de ecdisona, pero no afectar al original, clave para otros insectos. Las posibilidades de efectos fuera del objetivo serían bajas”.

Afirmó Naoki Yamanaka: “Los libros de texto dicen que las hormonas esteroides se transportan libremente dentro y fuera de las células humanas, pero según nuestra investigación con insectos, dudamos que ese sea el caso”. Y recordamos la descripción que hace sobre su labor: "Nuestro laboratorio se centra en identificar y caracterizar las vías de señalización neuroendocrina que regulan los cambios fisiológicos y de comportamiento durante el desarrollo de los insectos. Al igual que los humanos, donde el desarrollo físico y mental durante la etapa juvenil (pubertad) está controlado por el sistema neuroendocrino, los insectos también tienen una red de señalización hormonal sofisticada que regula sus transiciones de desarrollo. Principalmente mediante el uso de herramientas genéticas moleculares de la mosca de la fruta, nos gustaría comprender qué tipo de hormonas y receptores están involucrados en este sistema, cómo funcionan a nivel molecular y cómo se puede aplicar dicho conocimiento para desarrollar nuevos enfoques para controlar el desarrollo animal."

Fotografía de los investigadores: Sachiko Haga-Yamanaka (sentada), Naoki Yamanaka,

and Frances Sladek (derecha). Tomada de UCR / I. Pittalwala.

En otro estudio relacionado de (UCR), que es dirigido por la bióloga celular y profesora asistente del Departamento de Células y Sistemas Biológicos Moleculares, Sachiko Haga-Yamanaka, intenta localizar una maquinaria transportadora de hormonas similar en humanos.

La investigación de este científico fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud. Su laboratorio analiza los productos químicos que pueden bloquear a los importadores de ecdisona de los mosquitos. También investiga los transportadores de la hormona en otros animales.

Aunque existen métodos efectivos como para controlar las poblaciones locales de mosquitos, Naoki Yamanaka cree que es importante desarrollar herramientas adicionales para que podamos manejar los problemas relacionados con esos insectos en escenarios diferentes, dado que localmente los existentes presentan una gran diversidad.

Células madres de la orina humana tienen potencial regenerativo.

El Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, en Estados Unidos, donde se realiza actualmente la investigación sobre las células madres de la orina humana. Foto tomada del Facebook de @wakeforestmed

Investigadores del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa (WFIRM) en Estados Unidos, demostraron que las células madres de la orina humana tienen potencial para la regeneración de tejidos, y continúan su investigación sobre el poder de dichas células.

En su trabajo, publicado en la revista Frontiers in Cell and Developmental Biology, se centran en cómo la actividad de la "telomerasa" afecta al potencial regenerativo de estas y otros tipos de células madres.

Las células madre de la sangre fueron las primeras células madre identificadas. Su descubrimiento en la década de 1960 marcó el comienzo de la investigación en este campo. Todavía hoy, los investigadores continúan aprendiendo de las células madre de la sangre y trabajan para identificar nuevas maneras de utilizarlas en el ámbito clínico.

La telomerasa es una enzima esencial para la autorrenovación y el potencial de diferentes tipos de células madres. Su actividad también está estrechamente relacionada con la longevidad. El equipo estudió la importancia regenerativa de esto último, sobre todo en lo que respecta a la expresión de los marcadores característicos de la superficie celular, la capacidad de diferenciación multipotente, la estabilidad cromosómica y la seguridad de la formación de tumores "in vivo".

Sus hallazgos proporcionan una perspectiva novedosa a fin de evaluar la capacidad de las células madres humanas derivadas de la orina que son positivas a esa enzima para convertirse en una amplia variedad de otros tipos ellas, y ser utilizados como una fuente óptima de la terapia con células madres o la regeneración de tejidos basada en esas unidades.

La doctora Yuanyuan Zhang, autora principal del artículo, asegura que las células madres humanas derivadas de la orina pueden aislarse fácilmente a partir de muestras del líquido, lo que ofrece claras ventajas respecto de las de otras fuentes, como la médula ósea o el tejido adiposo, cuya obtención suele requerir un procedimiento quirúrgico.

Los estudios de los profesores John B. Gurdon (1933), de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, y Shinya Yamanaka (1962), de las Universidades de Kioto, Japón, y California, en San Francisco, "han revolucionado la investigación sobre cómo las células maduras pueden reprogramarse para convertirse en células madre pluripotenciales, capaces de volverse cualquier tipo de tejido en el organismo", y les hizo ganadores del premio Nobel de Medicina del 2012. Fotografía tomada de Bbc. com.

Nos explica el coautor del trabajo, el doctor Anthony Atala: “Utilizar las células madres del paciente para la terapia se considera ventajoso porque no inducen respuestas inmunitarias ni rechazo. Además, el método no invasivo para obtenerlas es adecuado para una rápida traslación clínica”.

Concluye Zhang: "El estudio demuestra que las células madres urinarias primarias humanas con actividad telomerasa positiva actúan como una subpoblación distinta con capacidad de regeneración potencial tanto en el crecimiento celular como en su capacidad de convertirse en otras células. Entender mejor las alteraciones de esta subpoblación a lo largo de la vida humana, y cómo se traducen en el envejecimiento el daño renal o el cáncer, entre otros, será beneficioso en general. Como fuente celular segura, esas células tienen un sólido potencial regenerativo que podría inducir una mejor reparación de los tejidos”.

La telomerasa es una enzima formada por un complejo (proteína - acido ribonucleico ARN), con actividad polimerasa que está presente en células de la "línea germinal", en tejidos fetales y en ciertas células madres poco diferenciadas, que replica el ácido desoxirribonucleico (ADN) en los extremos de los cromosomas eucarióticos y permite el alargamiento de los telómeros. Su componente ribonucleotídico: se trata de la porción de ARN de la telomerasa, también llamado "TR" o "TER", de telomerase RNA; que se encuentra totalmente integrado en la enzima. Y el Componente proteico: que es la parte de la enzima que contiene la capacidad transcriptasa inversa (TRT o TERT de "telomerase reverse transcriptase"); invierte el curso normal de la información (ADN hacia (ARN)), trascribiendo el ARN a ADN. Dicha transcripción inversa en los telómeros es la actividad telomerasa propiamente dicha.

Imagen que representa la "Telomerasa".Tomada de es. Wikipedia. org.

También se encuentra presente en organismos eucariotas unicelulares. La telomerasa es reprimida en las células somáticas maduras después del nacimiento, produciéndose un acortamiento del "telómeros" después de cada división celular.

Así es que poco a poco, se van logrando descubrir los secretos que la vida y su evolución, guardan a simple vista, siendo entre otras ciencias, como la bioquímica, las matemáticas, la biofísica, la informática; sin cuyos conocimientos, sin cuya aportación, no podría llegarse a obtener estos pequeños, pero formidables triunfos.

La Machincuepa Cuántica se mantiene vigilante sobre estos temas tan fuera de lo cotidiano, pero que abren nuevas perspectivas a los conocimientos anteriores y nos llevan a reescribir los paradigmas.