Matemáticas para crear órganos

Investigadores de varios países han publicado en la revista Cell System las conclusiones de un trabajo en el que han utilizado la mosca de la fruta como modelo y que les ha permitido entender cómo se forman los órganos durante el desarrollo embrionario así como las patologías que están asociadas a ese proceso.

El hallazgo se trata de un complejo principio matemático que explica cómo se conectan las células entre sí para formar primero tejidos y luego órganos, y abre así otra puerta para su creación de una manera artificial.

El descubrimiento lo han llevado a cabo un amplio equipo de investigadores internacionales que ha sido liderado por el Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia (UV), y el Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS) -un centro asociado al CSIC, al Hospital Universitario Virgen del Rocío y a la Universidad de Sevilla-. Además han participado otros centros de investigación como la Universidad Johns Hopkins de Estados Unidos y la Universidad del País Vasco.

Este no es el primer hallazgo importante de este equipo de investigadores internacional. En 2018 publicaron las conclusiones de un trabajo que demostró que las células epiteliales, aquellas que ayudan a proteger los órganos, pueden adoptar durante la formación de los mismos una forma geométrica que no estaba descrita hasta ese momento, denominada escutoide. «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», explica Luis María Escudero, del IBiS, en una nota de prensa difundida por el CSIC.

Aquella investigación ya supuso «un importante cambio de paradigma,», según señala Escudero, que ha precisado además que, hasta ese momento, los epitelios siempre se habían estudiado usando conceptos matemáticos para describir su organización en dos dimensiones, algo que está relacionado con la conexión entre las células y cómo se comunican entre ellas para formar los órganos de una forma correcta. «Demostramos entonces que las células epiteliales pueden tener formas complejas en tres dimensiones, como los escutoides, y las células y los órganos también son tridimensionales, y nos planteamos si existen principios matemáticos o biofísicos en tres dimensiones», ha explicado el investigador.

Ahora, combinando experimentos con tejidos de moscas y modelos computacionales de tejidos tubulares, los investigadores han elaborado un modelo biofísico que relaciona por primera vez la geometría del tejido y las propiedades físicas de las células con cómo están conectadas entre sí.

El investigador Javier Buceta, del I2SysBio, ha recurrido a un símil para explicar el alcance del avance científico que han publicado.

«El antropólogo Robin Dunbar determinó que los seres humanos tenemos un promedio de cinco amigos íntimos que vienen dados por diferentes factores sociales y personales. A nivel celular, nuestro artículo 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, los investigadores han descubierto que 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. Para sacar estas conclusiones, los científicos alteraron el tejido, reduciendo la adhesión entre las células, poniendo así su modelo a prueba.