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A medida que un organismo crece, su sensación también cambia. Al principio, un embrión adquiere un estado casi fluido que permite que sus células se dividan y se desarrollen. A medida que madura, sus tejidos y órganos se endurecen hasta adquirir su forma final. En algunas especies, este estado físico de un organismo puede ser un indicador de su estado de desarrollo, o incluso del estado general de su salud.
En la actualidad, los investigadores del MIT han descubierto que la forma en que se organizan las células en un tejido puede servir como huella digital para la «fase» del tejido. Desarrollaron un método para decodificar imágenes de células en tejido para determinar rápidamente si ese tejido se parece más a un sólido, un líquido o incluso un gas. Sus hallazgos se publican esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
El equipo espera que su método, al que denominaron «huellas dactilares configuracionales», pueda ayudar a los científicos a rastrear los cambios físicos en un embrión a medida que se desarrolla. De manera más inmediata, aplican su método para estudiar y posiblemente diagnosticar un tipo específico de tejido: los tumores.
En el caso del cáncer, la evidencia sugiere que, como un embrión, el estado físico de un tumor puede indicar su etapa de crecimiento. Los tumores más fuertes pueden ser relativamente estables, mientras que los crecimientos más fluidos pueden ser más propensos a mutar y hacer metástasis.
Los investigadores del MIT están analizando imágenes de tumores, tanto cultivados en el laboratorio como biopsiados de pacientes, para identificar huellas dactilares celulares que indiquen si un tumor se parece más a un sólido, líquido o gas. Ellos prevén que los médicos algún día podrían hacer coincidir una imagen de células tumorales con una huella celular para determinar rápidamente la fase de un tumor y, en última instancia, la progresión del cáncer.
«Nuestro método permitiría un diagnóstico muy fácil de condiciones cancerosas, simplemente examinando las posiciones de las células en una biopsia», explica Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Nous espérons qu’en regardant simplement où se trouvent les cellules, les médecins pourront dire directement si une tumeur est très solide, ce qui signifie qu’elle ne peut pas encore métastaser, ou si elle est plus fluide et qu’un patient est en peligro.»
Los coautores de Guo son Haiqian Yang, Yulong Han, Wenhui Tang y Rohan Abeyaratne del MIT, Adrian Pegoraro de la Universidad de Ottawa y Dapeng Bi de la Northeastern University.
Orden triangular
En un sólido perfecto, los componentes individuales del material se configuran como una red ordenada, como los átomos en un cubo de cristal. Si cortaras una rebanada del cristal y la pusieras sobre una mesa, verías que los átomos están dispuestos de tal manera que puedes conectarlos en un patrón de triángulos repetidos. En un sólido perfecto, dado que el espacio entre los átomos sería exactamente el mismo, los triángulos que los conectan serían generalmente de forma equilátera.
Guo tomó esta construcción como plantilla para una estructura perfectamente sólida, con la idea de que podría servir como punto de referencia para comparar las configuraciones celulares de tejidos y tumores reales, menos que perfectamente sólidos.
“Las telas reales nunca están perfectamente ordenadas”, dice Guo. “Son en su mayoría desordenados. Pero aún así, existen diferencias sutiles en lo desordenadas que son.
Siguiendo esta idea, el equipo comenzó con imágenes de varios tipos de tejido y utilizó software para mapear las conexiones triangulares entre las células de un tejido. A diferencia de los triángulos equiláteros en un sólido perfecto, los mapas produjeron triángulos de diferentes formas y tamaños, indicando celdas con un rango de orden espacial (y desorden).
Para cada triángulo de una imagen, midieron dos parámetros clave: el orden volumétrico o el espacio dentro de un triángulo; y el orden de corte, o la distancia entre la forma de un triángulo y el equilátero. El primer parámetro indica la fluctuación en la densidad de un material, mientras que el segundo ilustra la tendencia del material a deformarse. Descubrieron que estos dos parámetros eran suficientes para determinar si un tejido se parecía más a un sólido, un líquido o un gas.
“Calculamos directamente el valor exacto de los dos parámetros, en relación con los de un sólido perfecto, y usamos esos valores exactos como huellas digitales”, explica Guo.
Zarcillos de vapor
El equipo probó su nueva técnica de toma de huellas dactilares en varios escenarios diferentes. La primera fue una simulación en la que modelaron la mezcla de dos tipos de moléculas, cuya concentración aumentaron gradualmente. Para cada concentración, mapearon las moléculas en triángulos y luego midieron los dos parámetros de cada triángulo. A partir de estas mediciones, caracterizaron la fase de las moléculas y pudieron reproducir las transiciones entre gas, líquido y sólido, que se esperaban.
«La gente sabe qué esperar en este sistema tan simple, y eso es exactamente lo que estamos viendo», explica Guo. “Demostró la capacidad de nuestro método. »
Luego, los investigadores aplicaron su método en sistemas con células en lugar de moléculas. Por ejemplo, vieron videos, tomados por otros investigadores, de un ala de mosca de la fruta en crecimiento. Al aplicar su método, pudieron identificar regiones del ala en desarrollo que pasaron de un estado sólido a un estado más fluido.
«Como líquido, puede ayudar con el crecimiento», explica Guo. “Aún se está investigando cómo sucede exactamente esto. »
Él y su equipo también desarrollaron pequeños tumores a partir de células en el tejido mamario humano y observaron que los tumores se desarrollaron en zarcillos que se asemejan a apéndices, signos de metástasis temprana. Cuando mapearon la configuración de las células en los tumores, encontraron que los tumores no invasivos parecían algo entre un sólido y un líquido, y los tumores invasivos se parecían más a un gas, mientras que los zarcillos mostraban un estado aún más desordenado.
“Los tumores invasivos se parecían más al vapor y quieren extenderse e ir a todas partes”, explica Guo. “Los líquidos difícilmente se pueden comprimir. Pero los gases son comprimibles, pueden hincharse y encogerse fácilmente, y eso es lo que vemos aquí.
El equipo trabaja con muestras de biopsias de cáncer humano, que toman imágenes y analizan para refinar sus huellas dactilares celulares. En última instancia, Guo prevé que el mapeo de las fases de un tejido puede ser una forma rápida y menos invasiva de diagnosticar varios tipos de cáncer.
«Los médicos generalmente tienen que tomar biopsias y luego teñir diferentes marcadores según el tipo de cáncer, para diagnosticar», explica Guo. «Quizás algún día podamos usar herramientas ópticas para mirar dentro del cuerpo, sin tocar al paciente, para ver la posición de las células y saber directamente en qué etapa del cáncer se encuentra el paciente».
Esta investigación fue financiada en parte por los Institutos Nacionales de Salud, MathWorks y el Premio Jeptha H. y Emily V. Wade del MIT.
