Durante las primeras etapas del incremento, los tejidos y órganos comienzan a florecer mediante el cambio, la división y el crecimiento de muchos miles de células.
Un equipo de ingenieros del MIT ha desarrollado una forma de predecir, minuto a minuto, cómo se plegarán, dividirán y reorganizarán las células individuales durante la etapa más temprana de crecimiento de una mosca de la fruta. Es posible que algún día el nuevo método se aplique para predecir el incremento de tejidos, órganos y organismos más complejos. Incluso podría ayudar a los científicos a identificar patrones celulares que corresponden a enfermedades de aparición temprana, como el asma y el cáncer.
en un estudio que aparece hoy en la revista Métodos de la naturalezael equipo presenta un nuevo maniquí de educación profundo que aprende y luego predice cómo cambiarán ciertas propiedades geométricas de las células individuales a medida que se desarrolla una mosca de la fruta. El maniquí registra y rastrea propiedades como la posición de una celda y si está tocando una celda vecina en un momento poliedro.
El equipo aplicó el maniquí a vídeos de embriones de mosca de la fruta en incremento, cada uno de los cuales comienza como un camarilla de aproximadamente 5.000 células. Descubrieron que el maniquí podía predecir, con un 90 por ciento de precisión, cómo se plegaría, cambiaría y reorganizaría cada una de las 5.000 células, minuto a minuto, durante la primera hora de incremento, a medida que el embrión se transforma de una forma suave y uniforme a estructuras y características más definidas.
«Esta grado original se conoce como gastrulación, que tiene ocupación durante aproximadamente una hora, cuando las células individuales se reorganizan en una escalera de tiempo de minutos», dice el autor del estudio Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Al modelar con precisión este período original, podemos comenzar a descubrir cómo las interacciones celulares locales dan ocupación a tejidos y organismos globales».
Los investigadores esperan aplicar el maniquí para predecir el incremento célula por célula en otras especies, como el pez cebra y los ratones. Luego, pueden comenzar a identificar patrones que son comunes entre especies. El equipo incluso prevé que el método podría utilizarse para discernir patrones tempranos de enfermedades, como el asma. El tejido pulmonar de las personas con asma se ve notablemente diferente del tejido pulmonar sano. Cómo se desarrolla inicialmente el tejido propenso al asma es un proceso desconocido que el nuevo método del equipo podría revelar.
«Los tejidos asmáticos muestran una dinámica celular diferente cuando se toman imágenes en vivo», dice el coautor y estudiante reconocido del MIT Haiqian Yang. «Prevemos que nuestro maniquí podría capturar estas diferencias dinámicas sutiles y proporcionar una representación más completa del comportamiento de los tejidos, mejorando potencialmente los diagnósticos o los ensayos de detección de fármacos».
Los coautores del estudio son Markus Buehler, profesor McAfee de Ingeniería en el Unidad de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT; George Roy y Tomer Stern de la Universidad de Michigan; y Anh Nguyen y Dapeng Bi de la Universidad Northeastern.
Puntos y espumas
Los científicos suelen modelar cómo se desarrolla un embrión de dos maneras: como una nubarrón de puntos, donde cada punto representa una célula individual como un punto que se mueve a lo holgado del tiempo; o como una “espuma”, que representa células individuales como burbujas que se mueven y se deslizan unas contra otras, de forma similar a las burbujas de la espuma de afeitar.
En ocupación de designar entre los dos enfoques, Guo y Yang adoptaron los dos.
«Existe un debate sobre si modelar como una nubarrón de puntos o una espuma», dice Yang. «Pero ambas son formas esencialmente diferentes de modelar el mismo manifiesto subyacente, que es una forma elegante de representar tejidos vivos. Al combinarlos en un solo manifiesto, podemos resaltar más información estructural, como cómo las células están conectadas entre sí a medida que se reorganizan con el tiempo».
En el corazón del nuevo maniquí hay una estructura de “manifiesto dual” que representa un embrión en incremento como puntos móviles y burbujas. A través de esta representación dual, los investigadores esperaban capturar propiedades geométricas más detalladas de las células individuales, como la ubicación del núcleo de una célula, si una célula está en contacto con una célula vecina y si se está plegando o dividiendo en un momento poliedro.
Como prueba de principio, el equipo entrenó el nuevo maniquí para «cultivarse» cómo las células individuales cambian con el tiempo durante la gastrulación de la mosca de la fruta.
«La forma universal de la mosca de la fruta en esta etapa es aproximadamente un elipsoide, pero hay una dinámica gigantesca en la superficie durante la gastrulación», dice Guo. «Pasa de ser completamente suave a formar una serie de pliegues en diferentes ángulos. Y queremos predecir todas esas dinámicas, momento a momento, y célula por célula».
donde y cuando
Para su nuevo estudio, los investigadores aplicaron el nuevo maniquí a vídeos de suscripción calidad de gastrulación de la mosca de la fruta tomados por sus colaboradores de la Universidad de Michigan. Los videos son grabaciones de una hora de moscas de la fruta en incremento, tomadas con resolución unicelular. Es más, los vídeos contienen etiquetas de los bordes y núcleos de las células individuales, datos increíblemente detallados y difíciles de conseguir.
«Estos vídeos son de altísima calidad», afirma Yang. «Estos datos son muy raros, ya que se obtiene una resolución submicrónica de todo el barriguita 3D a una velocidad de fotogramas congruo rápida».
El equipo entrenó el nuevo maniquí con datos de tres de cuatro vídeos de embriones de mosca de la fruta, de modo que el maniquí pudiera «cultivarse» cómo interactúan y cambian las células individuales a medida que se desarrolla un embrión. Luego probaron el maniquí en un vídeo de mosca de la fruta completamente nuevo y descubrieron que era capaz de predecir con gran precisión cómo la mayoría de las 5.000 células del embrión cambiaban de un minuto a otro.
Específicamente, el maniquí podría predecir propiedades de celdas individuales, como si se plegarán, dividirán o continuarán compartiendo un borde con una celda vecina, con aproximadamente un 90 por ciento de precisión.
«Terminamos prediciendo no sólo si estas cosas sucederán, sino incluso cuándo», dice Guo. «Por ejemplo, ¿esta célula se separará de esta célula adentro de siete u ocho minutos? Podemos asimilar cuándo sucederá eso».
El equipo cree que, en principio, el nuevo maniquí y el enfoque de manifiesto dual deberían poder predecir el incremento célula por célula de otros sistemas multicelulares, como especies más complejas e incluso algunos tejidos y órganos humanos. El hacedor limitante es la disponibilidad de datos de vídeo de suscripción calidad.
«Desde la perspectiva del maniquí, creo que está inteligente», afirma Guo. «El real cuello de botella son los datos. Si tenemos datos de buena calidad de tejidos específicos, el maniquí podría aplicarse directamente para predecir el incremento de muchas más estructuras».
Este trabajo cuenta con el apoyo, en parte, de los Institutos Nacionales de Salubridad de EE. UU.