Descobreixen un principi matemàtic que explica com es connecten les cèl·lules entre si per a formar teixits i òrgans

Una investigació internacional liderada per l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio, CSIC-UV) i l’Institut de Biomedicina de Sevilla (IBiS, HUVR-CSIC-US) revela importants propietats de la connectivitat cel·lular

Un equip científic internacional ha descobert un nou principi matemàtic que explica com es connecten les cèl·lules entre si per a formar els teixits, un important pas endavant per a entendre com es formen els òrgans durant el desenvolupament embrionari i les patologies associades a aquest procés. La troballa està liderada per l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), i l’Institut de Biomedicina de Sevilla (IBiS), del CSIC, l’Hospital Universitario Virgen del Rocío i la Universitat de Sevilla.

El seu treball, publicat en la prestigiosa revista Cell Systems, ha estat realitzat usant la mosca de la fruita com a model, i pot tindre futures implicacions en la creació de teixits i òrgans artificials al laboratori, un gran repte per a la Biologia i la Biomedicina.

Aquest equip científic va publicar en 2018 en la revista Nature Comunications un article que va tindre un gran impacte científic i mediàtic, en el qual demostraven que les cèl·lules epitelials poden adoptar durant la formació dels òrgans una forma geomètrica que no estava descrita fins a aqueix moment: el escutoide.

“Que les cèl·lules adopten aquesta forma geomètrica es deu a l’estalvi energètic que suposa a l’hora de ‘empaquetar-se’ per a formar teixits quan existeix cert nivell de curvatura, per exemple quan es forma un plec en un teixit”, explica un dels autors que lideren aquest treball, Luisma Escudero, investigador de l’IBiS. “La nostra investigació va suposar un important canvi de paradigma, perquè fins llavors els epitelis sempre s’havien estudiat usant conceptes matemàtics per a descriure la seua organització en dues dimensions, alguna cosa que està relacionat amb la connexió entre les cèl·lules i com es comuniquen entre elles per a formar aqueixos òrgans correctament”.

“No obstant això, com vam demostrar llavors, les cèl·lules epitelials poden tindre formes complexes en tres dimensions com els escutoides, i les cèl·lules i els òrgans també són tridimensionals. Per això, en aquest article ens plantegem si existeixen principis matemàtics i/o biofísics en 3D i, combinant experiments amb teixits de mosques i models computacionals de teixits tubulars, hem pogut elaborar un model biofísic que relaciona per primera vegada la geometria del teixit i les propietats físiques de les cèl·lules amb com estan connectades entre si”, apunta Escudero.

La clau, les ‘relacions socials’ de les cèl·lules

Javier Buceta, investigador de l’I2SysBio i colíder de l’estudi, estableix un símil per a explicar aquest nou avanç científic, recorrent per a això a l’Antropologia. “L’antropòleg Robin Dunbar va determinar que els éssers humans tenim una mitjana de cinc amics íntims que venen daus per diferents factors socials i personals. A nivell cel·lular, el nostre article ha revelat que existeix un principi ‘equivalent’, concloent que el nombre de ‘veïns’ pròxims d’una cèl·lula, és a dir, els seus ‘amics íntims’, està determinat en aquest cas per la geometria del teixit i les seues relacions energètiques”.

“Així, tenint en compte una sèrie de consideracions energètiques, biològiques i geomètriques, hem descobert que, per exemple, quantes més connexions té una cèl·lula epitelial amb unes altres, més energia necessita per a establir noves connexions amb altres cèl·lules, mentre que, si està poc connectada amb altres ‘veïns’, la cèl·lula necessita menys energia per a establir aqueix vincle”, destaca Buceta.

En aquesta investigació, els científics van alterar el teixit, reduint l’adhesió entre les cèl·lules per a posar el seu model a prova. “Això fa que canvie l’organització, en ser més fàcil, menys costós energèticament parlant, que les cèl·lules contacten amb noves cèl·lules”, apunta Buceta. Els resultats dels experiments van confirmar el principi quantitatiu proposat pels investigadors.

Els investigadors assenyalen que, analitzant el comportament dels teixits des del punt de vista dels materials, altres treballs previs han observat que la seua ‘rigidesa’ depén de la connectivitat cel·lular. “D’aquesta manera, els teixits poden comportar-se d’una manera més o menys viscosa, és a dir, més fluida o més sòlida. Els nostres resultats mostren quantitativament com la geometria dels escutoides condiciona la connectivitat cel·lular i, per tant, com poden ser un instrument biològic per a regular les propietats, com a material, de teixits i òrgans”, conclouen.

A més de l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes i de l’Institut de Biomedicina de Sevilla, en aquest treball han participat també investigadors de la Universitat de Sevilla, la Universitat Johns Hopkins dels Estats Units i la Universitat del País Basc, entre altres institucions.

Referència:

Pedro Gómez-Gálvez, Pablo Vicente-Munuera, Samira Anbari, Antonio Tagua, Carmen Gordillo-Vázquez, Jesús A. Andrés-San Román, Daniel Franco-Barranco, Ana M. Palacios, Antonio Velasco, Carlos Capitán-Agudo, Clara Grima, Valentina Annese, Ignacio Arganda-Carreras, Rafael Robles, Alberto Márquez, Javier Buceta, Luis M. Escudero. A quantitative biophysical principle to explain the 3D cellular connectivity in curved epithelia.  Cell Systems. DOI: 10.1016/j.cels.2022.06.003