¿Qué tienen en común Wolverine, Deadpool y una medusa? Todos poseen una asombrosa característica: la regeneración. Por supuesto, en los cómics y el cine, esta habilidad, que es poco común entre un número muy limitado de organismos vivos reales, está ligeramente (a veces, incluso, muy) exagerada; sin embargo, sigue siendo bastante real. Y lo que es real se puede explicar, que es precisamente lo que investigadores de la Universidad de Tohoku (Japón) han decidido abordar en su nuevo estudio. ¿Qué procesos celulares en el cuerpo de una medusa están relacionados con la regeneración, cómo ocurre este proceso y qué otras súper habilidades poseen estas criaturas gelatinosas? La presentación del grupo de investigación nos lo dirá. Vamos allá.
Base de la investigación
En primer lugar, los investigadores explican por qué decidieron centrar su atención en las medusas. La razón es que la mayoría de los estudios en biología se realizan con lo que se denominan organismos modelo: ratones, moscas de la fruta, gusanos, peces, etc. Sin embargo, en nuestro planeta viven millones de especies, cada una de las cuales posee habilidades únicas. Por lo tanto, no se puede evaluar adecuadamente el proceso de regeneración celular estudiando solo una especie y suponer que el mecanismo estudiado será común para todos los seres en la Tierra.
En cuanto a las medusas, estas criaturas ya de por sí, por su aspecto exterior, hablan de su singularidad, lo que no puede dejar de atraer la atención de los científicos. Por eso, antes de profundizar en el estudio mismo, me familiaricé con su protagonista principal.
La palabra «medusa», que usamos para referirnos a este ser, en realidad solo designa una etapa del ciclo de vida de los organismos del subfilo Medusozoa. Los medusozoos recibieron ese nombre inusual debido a la presencia de células urticantes (cnidocitos) en su organismo, que se utilizan para cazar y defenderse. En otras palabras, cuando una medusa te pica, puedes agradecer a estas células por el dolor y el sufrimiento que experimentas.
Los cnidocitos contienen cnidocistos, que son orgánulos intracelulares responsables del efecto "p picador". Según su apariencia y, en consecuencia, su manera de uso, se diferencian varios tipos de cnidocitos, entre los cuales se pueden destacar:
- Los penetrantes son hilos con puntas afiladas que se clavan en el cuerpo de la víctima o del agresor, como lanzas, inyectando un neurotoxina;
- Los glutinosos son hilos pegajosos y largos que envuelven a la víctima (no son los abrazos más agradables);
- Los volventes son hilos cortos en los que la víctima puede enredarse fácilmente.
Este tipo de armamento no convencional se explica porque las medusas, aunque son graciosas, no son criaturas muy rápidas. El neurotoxina que entra en el cuerpo de la presa la paraliza al instante, lo que le da a la medusa mucho tiempo para su almuerzo.
Medusa después de una caza exitosa.
Además del método de caza y defensa inusual, las medusas tienen un modo de reproducción bastante peculiar. Los machos producen espermatozoides y las hembras óvulos, tras cuya fusión se forman las planulas (larvas), que se depositan en el fondo. Con el tiempo, de la larva crece un pólipo, del cual al alcanzar la madurez literalmente se desprenden medusas jóvenes (de hecho, se produce gemación). Así, hay varias etapas en el ciclo vital, una de las cuales es la medusa o la generación medusoide.
La cianea peluda, también conocida como "melena de león."
Si le preguntaran a la cianea peluda cómo aumentar la eficacia de la caza, diría: más tentáculos. Hay un total de alrededor de 60 (bunches de 15 tentáculos en cada esquina de la cúpula). Además, este tipo de medusas se considera el más grande, ya que el diámetro de la cúpula puede alcanzar los 2 metros, y los tentáculos pueden extenderse hasta 20 metros durante la caza. Afortunadamente, este tipo no se caracteriza por una 'toxicidad' particular, por lo que no es mortal para los humanos.
La medusa caja, a su vez, añadiría calidad a la cantidad. Esta especie de medusa también tiene 15 tentáculos (3 m de longitud) en cada una de las cuatro esquinas de su campana, pero su veneno es mucho más potente que el de su pariente de gran tamaño. Se considera que la neurotoxina en el organismo de la medusa caja es suficiente para matar a 60 personas en 3 minutos. Esta temida criatura marina habita en la zona costera del norte de Australia y Nueva Zelanda. Según datos de 1884 a 1996, 63 personas murieron en Australia, aunque esta cifra podría ser imprecisa y el número de encuentros fatales entre humanos y medusas caja podría ser mucho mayor. Sin embargo, según datos de 1991 a 2004, entre 225 casos, solo el 8% de las víctimas fueron hospitalizadas, entre las cuales hubo un fallecido (un niño de tres años).
Medusa caja
Y ahora volvamos al estudio que estamos analizando hoy.
Desde el punto de vista celular, el proceso más importante en la vida de cualquier organismo es la proliferación celular: el crecimiento de los tejidos del organismo mediante la reproducción celular a través de la división. Durante el crecimiento del organismo, este proceso regula el aumento de tamaño del cuerpo. Y cuando el organismo está completamente formado, las células proliferantes regulan el intercambio fisiológico de células y la sustitución de las dañadas por nuevas.
Los cnidarios, al ser un grupo relacionado con las ramas bilaterales y las etapas tempranas del desarrollo de los organismos multicelulares, han sido utilizados para estudiar los procesos evolutivos durante muchos años. Por lo tanto, los cnidarios no son la excepción en lo que respecta a la proliferación. Por ejemplo, durante el desarrollo embrionario de la anémona de mar, Nematostella vectensis la proliferación celular se coordina con la organización del epitelio y participa en el desarrollo de los tentáculos.
Nematostella vectensis
Además de todo, como ya sabemos, los cnidarios son conocidos por sus capacidades regenerativas. Los pólipos de hidra (un género de cnidarios de agua dulce del clase de los hidrozoos) han sido los más populares entre investigadores durante siglos. La proliferación, activada por células moribundas, inicia el proceso de regeneración de la cabeza basal de la hidra. El propio nombre de esta criatura insinúa a una entidad mítica famosa por su regeneración: la Hidra de Lerna, a la que logró vencer Heracles.
Aunque se han vinculado las capacidades regenerativas a la proliferación, sigue sin estar claro cómo se desarrolla exactamente este proceso celular en condiciones normales en las diferentes etapas de desarrollo del organismo.
Las medusas, que tienen un ciclo de vida complejo compuesto por dos fases de reproducción (vegetativa y sexual), son un excelente modelo para estudiar la proliferación.
En este trabajo, la especie principal objeto de estudio fue la medusa del tipo Cladonema pacificum. Este tipo habita en las costas de Japón. Originalmente, esta medusa tiene 9 tentáculos principales que comienzan a ramificarse y aumentar de tamaño (al igual que todo el cuerpo) durante su desarrollo hasta la etapa adulta. Esta característica permite estudiar en detalle todos los mecanismos implicados en este proceso.
Además de Cladonema pacificum en la investigación también se consideraron otras especies de medusas: Cytaeis uchidae y Rathkea octopunctata.
Resultados de la investigación
Para comprender el patrón espacial de la proliferación celular en la medusa Cladonema, los investigadores utilizaron la tinción con 5-etynil-2’-desoxiuridina (EdU), que marca las células en la fase S* o células que ya la han pasado.
la fase S* es la fase del ciclo celular en la que ocurre la replicación del ADN.
Teniendo en cuenta que Cladonema aumenta drásticamente de tamaño y demuestra ramificación de tentáculos durante su desarrollo (1A—1C), la distribución de células proliferantes puede cambiar durante toda la maduración.
Imagen №1: características de la proliferación celular en jóvenes Cladonema.
Gracias a esta característica se pudo estudiar el mecanismo de proliferación celular tanto en jóvenes (día 1) como en medusas adultas (día 45).
En las medusas jóvenes, se encontraron células positivas a EdU en gran número en todo el cuerpo, incluyendo el campana, el manubrio (órgano de soporte de la cavidad bucal en las medusas) y los tentáculos, independientemente del tiempo de exposición a EdU (1D–1K y 1N–1O, EdU: 20 µM (micromolar) después de 24 horas).
En el manubrio se encontraron relativamente pocas células positivas a EdU (1F y 1G), mientras que en el campana su distribución fue muy uniforme, especialmente en la capa externa del campana (exumbrella, 1H—1K). En los tentáculos, las células positivas a EdU estaban fuertemente agrupadas (1N). La aplicación del marcador mitótico (anticuerpos PH3) permitió verificar que las células positivas para EdU son efectivamente células en proliferación. Se encontraron células positivas para PH3 tanto en el campana como en la bulbo del tentáculo (1L y 1P).
En los tentáculos, las células mitóticas se encontraron principalmente en el ectodermo (1P), mientras que en el campana las células en proliferación se ubicaron en la capa superficial (1M).
Imagen №2: características de la proliferación celular en Cladonema adultos.
Tanto en los individuos jóvenes como en los adultos, se encontraron muchas células positivas para EdU a lo largo del cuerpo. En el campana, las células positivas para EdU estaban más frecuentemente en la capa superficial que en la inferior, lo que es similar a las observaciones en individuos jóvenes (2A—2D).
Sin embargo, en los tentáculos la situación fue algo diferente. Las células positivas para EdU se acumularon en la base del tentáculo (bulbo), donde se encontraron dos clústeres a ambos lados del bulbo (2E y 2F). En individuos jóvenes también se observaron tales acumulaciones (1N), es decir, los bulbos de los tentáculos pueden ser la principal zona de proliferación durante toda la etapa de medusa. Curiosamente, en el manubrio de los adultos, el número de células positivas para EdU era significativamente mayor que en los jóvenes (2G y 2H).
La conclusión intermedia es que la proliferación celular puede ocurrir uniformemente en el campana de la medusa, mientras que en los tentáculos este proceso es muy localizado. Por lo tanto, se puede suponer que la proliferación celular uniforme puede controlar el crecimiento del cuerpo y el homeostasis de los tejidos, mientras que las acumulaciones de células en proliferación cerca de los bulbos de los tentáculos participan en la morfogénesis de los tentáculos.
En el aspecto del desarrollo del cuerpo como tal, la proliferación juega un papel importante en el crecimiento del cuerpo.
Imagen №3: la importancia de la proliferación en el proceso de crecimiento del cuerpo de la medusa.
Para verificar esto en la práctica, los científicos rastrearon el crecimiento del cuerpo de las medusas, comenzando con individuos jóvenes. Es más fácil determinar el tamaño del cuerpo de la medusa por su campana, ya que crece de manera uniforme y directamente proporcional a todo el cuerpo.
Con una alimentación normal en condiciones de laboratorio, el tamaño de la campana aumenta drásticamente en un 54.8% durante las primeras 24 horas — de 0.62 ± 0.02 mm2 a 0.96 ± 0.02 mm2. Durante los siguientes 5 días de observación, el tamaño aumentó lentamente y de manera suave a 0.98 ± 0.03 mm2 (3A—3C).
Las medusas de otro grupo, que fueron privadas de alimento, no crecieron, sino que disminuyeron (línea roja en el gráfico 3C). El análisis celular de las medusas hambrientas mostró un número extremadamente bajo de células EdU: 1240.6 ± 214.3 en las medusas del grupo de control y 433.6 ± 133 en las hambrientas (3D—3H). Esta observación podría ser una evidencia directa de que la alimentación influye directamente en el proceso de proliferación.
Para verificar esta hipótesis, los científicos realizaron un análisis farmacológico en el que bloquearon el progreso del ciclo celular utilizando hidroxiurea (CH4N2O2), un inhibidor del ciclo celular que provoca una detención en G1. Como resultado de esta intervención, las células en fase S, detectadas anteriormente con EdU, desaparecieron (3I—3L). Así, las medusas expuestas a CH4N2O2 no mostraron crecimiento corporal, a diferencia del grupo de control (3М).
La siguiente fase del estudio fue un examen detallado de los tentáculos ramificados de las medusas para confirmar la suposición de que la proliferación celular local en los tentáculos contribuye a su morfogénesis.
Imagen Nº4: influencia de la proliferación celular local en el crecimiento y ramificación de los tentáculos de las medusas.
Los tentáculos de una joven medusa tienen una rama, pero con el tiempo su número aumenta. En condiciones de laboratorio, la ramificación se incrementó tres veces en el noveno día de observaciones (4A y 4C).
Nuevamente, al utilizar CH4N2O2 no se observó ramificación de los tentáculos, solo había una rama (4B y 4C). Curiosamente, la eliminación de CH4N2O2 del organismo de las medusas restauraba el proceso de ramificación de los tentáculos, lo que indica la reversibilidad de la intervención farmacológica. Estas observaciones indican claramente la importancia de la proliferación para el desarrollo de los tentáculos.
Los cnidarios no serían cnidarios sin nematocistos (cnidocitos, es decir, células urticantes). En la medusa Clytia hemisphaerica, las células madre en los bulbos de los tentáculos suministran nematocistos a las puntas de los tentáculos precisamente a través de la proliferación celular. Naturalmente, los científicos decidieron comprobar esta afirmación.
Para detectar alguna relación entre los nematocistos y la proliferación, se utilizó un colorante nuclear que puede marcar el poli-γ-glutamato, sintetizado en la pared del nematocisto (DAPI, es decir, 4',6-diamidino-2-fenilindol).
La coloración del poli-γ-glutamato permitió evaluar el tamaño de los nematocitos, variando entre 2 y 110 μm² (4D—4G). También se identificó una cierta cantidad de nematocistos vacíos, es decir, aquellos nematocitos se habían agotado (4D—4G).
La actividad de proliferación en los tentáculos de las medusas se verificó mediante el estudio de los espacios en los nematocitos después de bloquear el ciclo celular mediante CH4N2O2. La proporción de nematocitos vacíos en medusas después de la intervención farmacológica fue mayor que en el grupo de control: 11.4% ± 2.0% en medusas del grupo de control y 19.7% ± 2.0% en medusas con CH4N2O2 (4D—4G y 4H). Por lo tanto, incluso después del agotamiento, los nematocitos continúan nutridos activamente por células progenitoras mediante la proliferación, lo que confirma la influencia de este proceso no solo en el desarrollo de los tentáculos, sino también en el nematogénesis en ellos.
El aspecto más interesante fue la fase de investigación de las capacidades regenerativas de las medusas. Dada la alta concentración de células proliferativas en la bombilla del tentáculo en medusas maduras Cladonema, los científicos decidieron estudiar la regeneración específicamente de los tentáculos.
Imagen No. 5: influencia de la proliferación en la regeneración de los tentáculos.
Después de realizar la disección de los tentáculos en la base, se observó el proceso de regeneración (5A–5D). Durante las primeras 24 horas, la curación ocurrió en el área del corte (5B). En el segundo día de observaciones, la punta comenzó a alargarse y aparecieron ramificaciones (5C). En el quinto día, el tentáculo estaba completamente ramificado (5D), por lo tanto, la regeneración del tentáculo puede seguir el morfogénesis normal del tentáculo después de la elongación.
Para estudiar mejor la etapa inicial de la regeneración, los científicos analizaron la distribución de las células proliferativas utilizando la coloración PH3 para visualizar las células mitóticas.
Mientras que las células en división se observaron frecuentemente cerca del área amputada, las células mitóticas estaban dispersas en las bombillas de control no cortadas con tentáculos (5E y 5F).
La evaluación cuantitativa de las células PH3-positivas presentes en las bombillas de los tentáculos permitió detectar un aumento significativo de células PH3-positivas en las bombillas de tentáculos en individuos con extremidades amputadas en comparación con el grupo de control (5G). En conclusión, los procesos regenerativos iniciales están acompañados de un aumento activo de la proliferación celular en las bombillas de los tentáculos.
Verificar la influencia de la proliferación en la regeneración fue posible gracias al bloqueo de células con CH4N2O2 después de la amputación de un tentáculo. En el grupo de control, el alargamiento del tentáculo tras su amputación ocurrió normalmente, como se esperaba. Sin embargo, en el grupo donde se aplicó CH4N2O2, no hubo alargamiento a pesar de que la herida sanaba normalmente (5H). En otras palabras, la cicatrización ocurrirá de todos modos, pero para una correcta regeneración del tentáculo es necesaria la proliferación.
Finalmente, los científicos decidieron estudiar la proliferación en otras especies de medusas, específicamente en Cytaeis y Rathkea.
Imagen Nº 6: comparación de la proliferación en medusas de la especie Cytaeis (izquierda) y Rathkea (derecha).
En Cytaeis Las células limpias positivas a EdU fueron observadas en el manubrio, los bulbos de tentáculos y en la parte superior del paraguas (6A y 6B). La ubicación de las células positivas a PH3 en Cytaeis es muy similar a Cladonema, sin embargo, existen algunas diferencias (6C y 6D). Mientras que en Rathkea las células positivas a EdU y PH3 fueron encontradas prácticamente exclusivamente en el área del manubrio y los bulbos de tentáculos (6E—6H).
Es interesante también que las células proliferativas a menudo se identificaron en los brotes de la medusa Rathkea (6E—6G), lo que refleja el tipo asexuado de reproducción de esta especie.
Teniendo en cuenta la información obtenida, se puede suponer que la proliferación celular ocurre en los bulbos de tentáculos no solo en una única especie de medusas, aunque hay diferencias debido a la variación en fisiología y morfología.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a .
Epílogo
Uno de mis personajes literarios favoritos es Hercule Poirot. Este perspicaz detective siempre prestaba especial atención a los pequeños detalles que a otros les parecían trivialidades. Los científicos son en muchos sentidos como detectives, que recogen todas las pistas disponibles para responder a todas las preguntas de la investigación y descubrir al 'culpable'.
Por muy evidente que suene, la regeneración celular en medusas está directamente relacionada con la proliferación, un proceso inherente al desarrollo de células, tejidos y, por ende, de todo el organismo. Un estudio más meticuloso de este proceso integral permitirá comprender mejor los mecanismos moleculares que lo sustentan, lo que a su vez expandirá no solo nuestro conocimiento, sino también impactará directamente en nuestras vidas.
Off-topic del viernes:
La marcha de las medusas del tipo Aurelia, inquieta por un depredador con un nombre inusual: «medusa huevo frito» (Planeta Tierra, voz en off — David Attenborough).
No se trata de una medusa, pero esta criatura de agua profunda (pez de gran boca pelicano) no se captura tan a menudo (la reacción de los investigadores es simplemente encantadora).
Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que todos tengan un excelente fin de semana, chicos! 🙂
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Fuente: habr.com
