Cómo los mamíferos crean sus planes corporales

Entender cómo los mamíferos forman sus planes corporales es una pregunta clave en biología. Este proceso ocurre al principio en el embrión y se caracteriza por la organización de muchas células para crear disposiciones espaciales que definen los ejes del cuerpo, como el eje cabeza-a-cola y el eje espalda-a-barriga. Ciertas moléculas de señalización, conocidas como morfógenos, juegan un papel crucial en la configuración de estos ejes corporales. Ejemplos de estos morfógenos incluyen Wnt, BMP, Activin/Nodal y FGF. Ayudan a organizar los tejidos e influyen en cómo las células se comportan, llevando a la formación de regiones distintas en el embrión. A pesar de la investigación significativa, los procesos físicos que conducen al desarrollo de estos ejes no se entienden completamente.

#El Eje Cabeza-a-Cola y Sus Desafíos

La formación del eje cabeza-a-cola es el primer paso que rompe la forma simétrica inicial del embrión. En vertebrados, este eje se establece cuando un factor de transcripción clave, conocido como T/Brachyury (T/Bra), aparece en un extremo del embrión. Estudiar cómo surge este eje, especialmente la formación del polo T/Bra, es bastante difícil. Los investigadores enfrentan desafíos para acceder a los embriones para su estudio, especialmente en mamíferos.

Para abordar este problema, los científicos utilizan células madre embrionarias de ratón y humano en un entorno de laboratorio. Estas células madre se pueden cultivar en agregados esféricos 3D conocidos como Gastruloides. Estos gastruloides se comportan de manera similar a los embriones reales, experimentando cambios que permiten a los científicos observar las etapas tempranas de la formación del plan corporal en un entorno controlado. Dependiendo de cómo se tratan las células y de las señales que reciben, los gastruloides pueden desarrollar estructuras que se asemejan a diferentes órganos.

#El Papel de la Mecánica de Tejidos en el Desarrollo

Estudios recientes señalan que la mecánica de los tejidos y el movimiento de las células son importantes para muchas etapas del desarrollo embrionario. En aves, los investigadores han notado que estas fuerzas mecánicas pueden contribuir también a la formación de los ejes del cuerpo. Sin embargo, su papel en la formación de ejes en mamíferos sigue siendo poco claro.

Para un método específico de diferenciación, los investigadores encontraron que en gastruloides de ratón, esta ruptura temprana de simetría está relacionada con movimientos a gran escala del tejido, junto con diferencias en cómo las células se adhieren entre sí y cómo se diferencian en varios tipos.

#Protocolo Experimental para Estudiar Gastruloides

Para estudiar mejor cómo se rompe la simetría en los gastruloides, los investigadores los preparan cuidadosamente colocando un número controlado de células madre embrionarias de ratón en micro-pozos especiales. Después de unas horas, estas células forman agregados 3D. Unos días después, se introducen señales específicas para estimular la diferenciación, lo que permite que los gastruloides se alarguen y exhiban patrones espaciales de T/Bra y otra proteína llamada E-cadherina.

Al utilizar técnicas avanzadas de imagen, los investigadores pueden visualizar los movimientos de las células y los patrones de expresión de proteínas en estos gastruloides. Pueden rastrear cómo fluye el tejido y cómo se distribuyen las proteínas dentro de los agregados.

#Análisis Cuantitativo del Desarrollo de Gastruloides

En sus experimentos, los investigadores notaron que la dirección del flujo de tejido en los gastruloides coincidía estrechamente con la distribución de T/Bra y E-cadherina. Desarrollaron un modelo simple para explicar estos flujos, mostrando que las diferencias en las tensiones internas y superficiales dentro del gastruloide contribuyen a estos movimientos.

Observaron que a medida que los gastruloides evolucionaban, la polarización, o la concentración de T/Bra y E-cadherina, aumentaba con el tiempo. Esto mostró una interrelación compleja entre varios procesos biológicos, incluido cómo las células se diferencian, se mueven y crecen.

#Investigando los Patrones de Flujo

Los flujos de tejido en estos experimentos mostraron variaciones significativas. Al examinar estos flujos de cerca, los investigadores pudieron identificar patrones y modos que capturaran los comportamientos principales de los movimientos. Descubrieron que unos pocos modos dominantes representaban la mayor parte del flujo general de tejido, siendo un flujo recirculante a gran escala particularmente importante.

La dirección de este flujo recirculante se correlacionó fuertemente con la polarización de T/Bra, sugiriendo que la distribución de la expresión de proteínas influye en cómo se mueve el tejido.

#La Mecánica Detrás de los Flujos Recirculantes

Para profundizar en cómo la polarización afecta la mecánica del tejido, los investigadores propusieron un modelo donde la distribución de proteínas crea tensión dentro del tejido. Al analizar estas diferencias de tensión, pudieron predecir cómo se comportarían los flujos del tejido. Se piensa que esta tensión está influenciada por cómo las células se adhieren entre sí y sus movimientos.

Se utilizaron simulaciones por computadora para probar su modelo, proporcionando información sobre cómo los flujos de tejido observados podrían surgir de las diferencias de tensión entre regiones de alta y baja expresión de proteínas.

#Confirmación a Través de Experimentos de Fusión

Para verificar sus hallazgos, los investigadores realizaron experimentos de fusión. Permitieron que gastruloides con diferentes niveles de expresión de T/Bra interactuaran físicamente. Al observar cómo se fusionaron estos tejidos, pudieron medir la tensión en las interfaces donde se encontraban los dos tipos de tejidos.

Sus resultados mostraron que los tejidos anteriores, con baja expresión de T/Bra, tenían una mayor tensión que los tejidos posteriores, confirmando sus predicciones anteriores. Esta dinámica de fusión reveló que ciertas regiones del gastruloide tienen una afinidad más fuerte entre sí, indicando diferencias en sus propiedades físicas.

#Conclusión

El estudio de cómo se forman los planes corporales de los mamíferos a través de agregados de gastruloides arroja luz sobre las intrincadas relaciones entre el comportamiento celular, la mecánica de los tejidos y la señalización bioquímica. La investigación destaca la importancia de los flujos de tejidos a gran escala y las tensiones mecánicas en la promoción de la polarización temprana, crucial para la ruptura de simetría.

Los investigadores creen que mecanismos similares pueden operar también en otros tipos de organoides e incluso en embriones reales, sugiriendo un tema común en cómo los organismos multicelulares establecen sus planes corporales. Los hallazgos abren nuevas puertas para explorar aspectos fundamentales del desarrollo embrionario y la posibilidad de aplicar estas ideas a la medicina regenerativa y otros campos de la biología.

#Direcciones Futuras

Esta investigación abre múltiples caminos para futuras indagaciones. Una de las preguntas clave que quedan es cómo la división celular y la diferenciación en curso podrían mantener los flujos de tejido observados. Entender la estructura 3D completa de estos agregados y la dinámica en juego también será un enfoque importante.

Otras áreas prometedoras incluyen examinar los mecanismos celulares precisos que contribuyen a la tensión del tejido y explorar cómo estas tensiones influyen en la forma y el comportamiento general de los tejidos en desarrollo. Con los avances continuos en técnicas de imagen y experimentación, los investigadores están listos para desentrañar aspectos aún más complejos de la formación del plan corporal en mamíferos y otros organismos.