¿Qué pasaría si las células cancerosas no pudieran moverse? ¿Qué pasaría si los pacientes, una vez que son diagnosticados con cáncer, pudieran tomar un medicamento que las inmovilizara? La respuesta es simple: las tasas de supervivencia se dispararían. Pero la realidad es complicada.Es difícil saber con precisión cómo ocurre la metástasis. Pero eso es lo que James Bear, PhD, profesor de biología y fisiología celular, está tratando de hacer: comprender el movimiento celular para que él y otros puedan hacer algo al respecto.
"Normalmente no pensamos en las células moviéndose, pero en realidad se mueven todo el tiempo", dijo Bear. "Se llama migración celular. Es natural".
El problema es cuando las células cancerosas se mueven, erradicarlas se vuelve casi imposible. Este es el llamado cáncer en etapa 4, cuando las células cancerosas en un órgano se instalan en otras partes del cuerpo. Laboratorio de Bear en UNC LinebergerComprehensive Cancer Center está desentrañando los misterios de la migración celular, un pequeño mecanismo celular a la vez. Gran parte del tiempo su equipo trabaja con células sanas. Resulta que incluso comprender cómo migran las células normales no es una tarea fácil.
Y, como puede atestiguar Bear, a veces un experimento aparentemente simple se convierte en una odisea experimental de tres años de tratar de entender cómo se mueven incluso las células sanas comunes, como los fibroblastos.
Volver a lo básico
Entonces, ¿cómo se mueven?
Panorama general: las células se mueven gracias a sus citoesqueletos: esqueletos internos en miniatura compuestos de filamentos, que están formados por proteínas. La forma en que esas proteínas trabajan e interactúan entre sí y su entorno es, bueno, parte de un sistema más pequeño y másimagen complicada
Uno de los sistemas de "filamentos de proteínas" que Bear estudia es el citoesqueleto de actina. La actina fue descubierta originalmente como una de las principales proteínas musculares. Ayuda a los músculos a contraerse. Pero la actina se encuentra en todas las células del cuerpo. En las células no musculares, la actina es una de las fuerzas impulsoras detrás de la migración celular. El citoesqueleto de actina se desgarra y reconstruye una y otra vez en un intervalo de tiempo inferior a un segundo para permitir que las células se muevan. Cada vez que una célula reconstruye los filamentos de actina, las proteínas pequeñas deben pegarlasfilamentos juntos en arquitecturas específicas para que la célula pueda moverse sobre un gradiente, una pendiente o una sustancia en el cuerpo.
"Es como construir un rascacielos, derribarlo y construir otro justo al lado", dijo Bear. "Los filamentos son como las vigas de hierro que deben unirse con remaches en ángulos específicos".
Es solo que, con las células, los remaches son proteínas de unión que no solo unen los filamentos en ángulos específicos, sino que deben hacerlo de una manera que permita que las células se muevan. Uno de los principales ligantes es un complejo de proteínas llamado Arp2/ 3.
"Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que no se podía estudiar Arp2 / 3 en un laboratorio porque, tan pronto como lo manipularas, la célula moriría", dijo Bear.
Pero en 2012, el laboratorio de Bear logró manipular Arp2 / 3 en fibroblastos. De hecho, su laboratorio fue el primero en generar una línea celular viable sin Arp2 / 3. Esto permitió a su equipo estudiar el papel preciso de este complejo de proteínas enmovimiento celular que dependía de las señales en el entorno de las células. Eso es crucial porque todas las células se mueven en formas específicas y ciertas direcciones dependiendo de las señales en su entorno.
"Es como cuando conduces un automóvil; te guían las señales visuales", dijo Bear. "Las células necesitan señales. Hay señales químicas que sirven como señales que permiten la migración dirigida". Dirigido, en lugar de dispersión.Las células, como los fibroblastos, tienen propósitos. Para ayudar a sanar una herida, por ejemplo, las células necesitan señales para llegar a donde deben estar.
Este movimiento dirigido se llama quimiotaxis.
"Supusimos que los fibroblastos no serían capaces de quimiotax sin el complejo Arp2 / 3", dijo Bear.
Así que estableció un experimento de control básico para probarlo. Su equipo usó una tecnología llamada microfluídica para crear una pequeña cámara en la que las células podían moverse y el equipo de Bear podía estudiar el movimiento con el tiempo, un experimento que había sido difícil de lograr contecnologías anteriores.
Bear descubrió que no solo las células podían sobrevivir sin el complejo, sino que los fibroblastos podían arrastrarse lentamente en la dirección correcta hacia arriba en un gradiente de una señal química. "Nos sorprendió mucho", dijo Bear. "Hicimos el experimento nuevamentey una y otra vez, y cada vez que las células podían quimiotaxar. Esencialmente, los tres años que siguieron fueron un experimento de control desenfrenado ".
Bear sabía que la maquinaria básica de motilidad de la célula estaba en mal estado. Sin embargo, las células aumentaron el gradiente de todos modos, aunque 5 veces más lento de lo habitual. Curiosamente, las células que carecen de Arp2 / 3 no pudieron detectar una señal direccional diferente:la matriz extracelular sobre la que se arrastraron, lo que indica que Arp2 / 3 es importante para algunos tipos de migración direccional, pero no para la quimiotaxis. Estos resultados se publicaron en 2012 en la revista Celda .
Bear pensó: "Bueno, ¿qué necesitan los fibroblastos para subir el gradiente?" Esta pregunta comenzó una serie de experimentos complejos y frustrantes que eventualmente condujeron a un culpable. Y es muy posible que sea importante en enfermedades queinvolucran células similares a los fibroblastos: la fibrosis, por ejemplo, que es una enfermedad pulmonar obstructiva crónica, una afección muy grave de los pulmones.
Ciencia, interrumpida
Una de las razones por las que los fibroblastos son una buena célula para estudiar, cuando se trata de la quimiotaxis, es que los necesitamos mucho para moverse durante la cicatrización de la herida. En una herida infectada, los macrófagos son la primera línea de la respuesta inmune del cuerpo, eliminando la infeccióny eliminar el tejido dañado. Pero en el transcurso de semanas y meses, los fibroblastos rodean la herida para reordenar el tejido para que se repare adecuadamente. Además, los fibroblastos son parte de la respuesta inmune hiperactiva en la EPOC; contribuyen al estrechamiento de la herida.vía aérea, que causa dificultades para respirar.
"Los fibroblastos migran claramente de acuerdo con las señales dirigidas", dijo Bear. "Y conocemos una de las principales señales: el factor de crecimiento derivado de plaquetas o PDGF".
Entonces, el equipo de Bear se propuso encontrar las vías celulares precisas utilizadas en la respuesta quimiotáctica al PDGF, vías que algún día podrían convertirse en un objetivo terapéutico. Bear sabía que los fibroblastos tienen un receptor celular llamado PDGF-R. Pensó que bloquear la capacidad dePDGF para engancharse en el receptor debería detener las células en su camino. Y así fue.
"Esto nos mostró que podríamos bloquear la quimiotaxis si bloqueamos todas las vías de señalización celular aguas abajo de PDGF", dijo Bear. "Así que queríamos verificar esas vías aguas abajo de PDGF para descubrir las específicas que estaban causando esta respuesta"
Las dos primeras vías que verificaron, llamadas PI3 quinasa y TOR, habían estado implicadas en la quimiotaxis de las células ameboides, que tradicionalmente han sido mucho más fáciles de estudiar que los fibroblastos. Sin embargo, en los fibroblastos, Bear descubrió que PI3K y TOR no lo hicieron 'No haga nada para evitar que las células se muevan.
"Fue una gran sorpresa", dijo. "Entonces, nuevamente, nos dimos cuenta de que algo más tenía que estar pasando".
Luego, con la ayuda del laboratorio de Ned Sharpless, MD, director de Lineberger, el equipo de Bear desarrolló dos líneas celulares de melanoma con fibras de actina dispuestas de la misma manera que los fibroblastos. Tenían fibras y adherencias, como los fibroblastos.tenía defectos graves en dos vías de señalización que se suponía que bloqueaban la quimiotaxis. Nuevamente, no había dados. Las células aún podían moverse de manera dirigida a pesar de los defectos.
"En este punto, estábamos realmente frustrados", dijo Bear. "Pensamos, está bien, solo en general, qué necesitan absolutamente las células para quimiotaxear. Bueno, para que una célula se mueva, la fuerza tiene que sergenerado. Y para que una célula se mueva de forma direccional, la fuerza tiene que ser asimétrica, la fuerza debe estar alineada con una señal externa, un gradiente ".
¿Bear se preguntó qué molécula genera fuerza? Pensó en la miosina, que es famosa por su importante papel como proteína motora en el músculo. Pero como la actina, también se encuentra en otras células. Se une a la actina y esencialmente camina a lo largo de los filamentos de actinacuando las células se mueven
En las células ameboides, la miosina se encuentra en la parte posterior de las células. Exprime el contenido de una célula hacia adelante, como una pasta de dientes a través de un tubo. Sin embargo, en los fibroblastos, la miosina está dispersa por todas las células. Entonces Bear sabía que la miosina probablemente funcionabade manera diferente en estas células.
Efectivamente, cuando aplicó un inhibidor químico de la miosina, las células podían migrar a una velocidad decente, pero lo hicieron al azar; ya no eran capaces de responder a una señal direccional en su entorno. Luego, el equipo de Bear eliminó el inhibidor, restablezca el gradiente PDGF nuevamente, y las celdas inmediatamente subieron el gradiente como lo harían normalmente.
"Entonces, finalmente, descubrimos que necesitamos miosina para que las células capten la señal direccional de PDGF", dijo Bear. "Entonces decidimos hacer un experimento genético para derribar las dos isoformas principales de miosina [variedades deproteína de miosina] a la que se dirigió nuestro fármaco inhibidor "
Cuando el equipo de Bear eliminó la miosina IIB, las células aún podían quimiotaxar. Sin la miosina IIA, sin embargo, las células no podían moverse en absoluto.
A través de una serie de experimentos con el nuevo sistema de cámara microfluídica de Bear, su equipo descubrió las diversas proteínas y eventos que regulan la miosina-A. En el fondo de este largo agujero de conejo de tres años, Bear encontró algo que los fibroblastos absolutamente necesitanpara subir un gradiente, la proteína quinasa C que actúa inhibiendo localmente la miosina IIA, lo que crea ese tipo de asimetría "a través de la pasta de dientes" que empuja las células. Según la investigación de Bear, es lo único que no puedeser rescatado a través de algunos medios alternativos para restaurar la quimiotaxis. Estos hallazgos fueron publicados en 2014 en la revista Célula del desarrollo .
Entonces, ¿qué significa esto?
"Nuestro trabajo sugiere que debemos repensar cómo las células migran hacia señales direccionales", dijo Bear. "No puedo decir si interferir con la quimiotaxis afectará la EPOC, pero podría, porque estos fibroblastos terminan acumulándose en los pulmones,hígado y riñones con el tiempo en personas con esta enfermedad. Si pudiéramos mantener esas células fuera de donde se supone que no deben ir, eso sería algo bueno ".
Además, ahora que el equipo de Bear ha trazado esta ruta celular importante para el movimiento celular, proporciona a los científicos otra pieza del rompecabezas de metástasis.
"Más que nada, sin embargo, estos experimentos revelaron una parte realmente interesante de nuestra biología subyacente", dijo Bear. "Creo que los fibroblastos son como los defensores del cuerpo; hacen todo tipo de trabajos y claramente han sidoinfravalorado "
Debido a que muchas células adoptan atributos similares a los fibroblastos, el trabajo de Bear que detalla la intrincada interacción entre proteínas celulares, eventos y estructuras durante la quimiotaxis proporciona un modelo para la biología nunca antes entendida en uno de los eventos más misteriosos pero comunes en la biología humana:migración celular.
"¿Habrá un medicamento en ensayos clínicos la próxima semana debido a este trabajo? No.", dijo Bear. "Pero no es así como funciona la ciencia. La ciencia básica se trata de construir nuestra comprensión desde cero. Primero necesitamos saber quésucede en las células normales, en la biología normal. Hasta que comprendamos eso, comprender lo que sucede en un estado de enfermedad no tendrá ningún contexto.
"Francamente, podemos dar tratamientos a los pacientes y ver cómo funcionan a través de la prueba y el error, que es cómo ha funcionado una gran cantidad de medicamentos, especialmente en el campo del cáncer, durante décadas", agregó Bear. Algunos tratamientos han funcionado. Muchono. Mejores objetivos terapéuticos solo serán descubiertos a través de la ciencia básica.
"La verdadera diferencia ahora en comparación con hace 20 años es que tenemos mejores herramientas experimentales y una mejor comprensión conceptual de cómo funcionan las células, y creemos que esto nos permitirá crear formas de tratar realmente las causas subyacentes de las enfermedades".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Sistema de atención médica de la Universidad de Carolina del Norte . Original escrito por Mark Derewicz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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