Cura antes de la boda: proliferación celular y habilidades regenerativas de las medusas

¿Qué tienen en común Wolverine, Deadpool y medusas? Todos tienen una característica sorprendente: regeneración. Por supuesto, en los cómics y las películas, esta habilidad, común entre un número extremadamente limitado de organismos vivos reales, es ligeramente (y a veces muy) exagerada, pero sigue siendo bastante real. Y lo que es real puede explicarse por lo que los científicos de la Universidad de Tohoku (Japón) decidieron hacer en su nuevo estudio. ¿Qué procesos celulares en el cuerpo de las medusas están asociados con la regeneración, cómo se lleva a cabo este proceso y qué otras superpotencias tienen estas criaturas gelatinosas? El informe del grupo de investigación nos contará sobre esto. Vamos

Base de estudio

En primer lugar, los científicos explican por qué decidieron centrar su atención en las medusas. El hecho es que la mayoría de las investigaciones en el campo de la biología se llevan a cabo con la participación de los llamados organismos modelo: ratones, moscas de la fruta, gusanos, peces, etc. Pero hay millones de especies viviendo en nuestro planeta, cada una de las cuales tiene una u otra habilidad única. Por lo tanto, es imposible evaluar completamente el proceso de regeneración celular mediante el estudio de una sola especie, y asumir que el mecanismo estudiado será común a todas las criaturas de la Tierra.



En cuanto a las medusas, estas criaturas con su apariencia hablan de su singularidad, que no puede dejar de llamar la atención de los científicos. Por lo tanto, antes de proceder a la disección del estudio en sí, conocí a su personaje principal.

La palabra "medusa", que solíamos llamar una criatura como tal, de hecho se refiere solo a la etapa del ciclo de vida, golpeando desde el subtipo de Medusozoa . Las personas que tienen un nombre tan inusual debido a la presencia de células punzantes (knidocyte) en su cuerpo, que se utilizan para cazar y defenderse. En pocas palabras, cuando una medusa te picó, puedes agradecer a estas células por el dolor y el sufrimiento.

Los knidocytes contienen knidocysts, un orgánulo intracelular responsable del efecto punzante. En su apariencia y, en consecuencia, el método de aplicación, se distinguen varios tipos de knidocytes, entre los cuales se puede distinguir:

• penetrantes: hilos con extremos puntiagudos que perforan el cuerpo de la víctima o del delincuente, como lanzas, inyectando una neurotoxina;
• glutinantes: hilos largos y pegajosos que envuelven a la víctima (no los abrazos más agradables);
• Los volventes son hilos cortos en los que la víctima puede confundirse fácilmente.

Tales armas no estándar debido al hecho de que las medusas, aunque son criaturas elegantes, pero no muy ágiles. La neurotoxina, que ingresa al cuerpo de la presa, la paraliza instantáneamente, lo que le da a la medusa mucho tiempo para un almuerzo.


Medusa después de una cacería exitosa.

Además del método inusual de caza y defensa, las medusas tienen una cría muy inusual. Los machos producen esperma, y ​​las hembras producen óvulos, después de la fusión de los cuales se forman planulas (larvas) que se depositan en el fondo. Después de un tiempo, un pólipo crece fuera de la larva, de la cual, al alcanzar su madurez, las medusas jóvenes se separan literalmente (de hecho, se produce la gemación). Por lo tanto, hay varias etapas del ciclo de vida, una de las cuales es la generación de medusas o medusas.


El peludo cyaney, también conocido como la "melena del león".

Si se le preguntara al cianuro peludo cómo aumentar la eficiencia de la caza, respondería: más tentáculos. Hay alrededor de 60 de ellos (grupos de 15 tentáculos en cada esquina de la cúpula). Además, este tipo de medusa se considera el más grande, porque el diámetro de la cúpula puede alcanzar los 2 metros, y los tentáculos durante la caza pueden extenderse hasta 20 metros. Lo bueno es que esta especie no es particularmente "venenosa", por lo tanto, no es fatal para los humanos.

Una avispa marina, a su vez, agregaría calidad a la cantidad. Esta especie de medusa también tiene 15 tentáculos (3 m de longitud) en cada una de las cuatro esquinas de la cúpula, pero su veneno es muchas veces más fuerte que el de un pariente grande. Se cree que la neurotoxina en el cuerpo de la avispa marina es suficiente para matar a 60 personas en 3 minutos. Esta tormenta de los mares vive en la zona costera del norte de Australia y Nueva Zelanda. Según datos de 1884 a 1996, 63 personas murieron en Australia, pero estos datos pueden ser inexactos y el número de encuentros fatales entre una persona y una avispa marina puede ser mucho mayor. Sin embargo, según los datos de 1991-2004, de 225 casos, solo el 8% de las víctimas fueron hospitalizadas, entre las cuales hubo una muerte (niño de tres años).


Avispa marina

Ahora volvamos al estudio que estamos considerando hoy.

Desde el punto de vista de las células, el proceso más importante en la vida de cualquier organismo es la proliferación celular, el proceso de crecimiento de los tejidos corporales a través de la división celular. Durante el crecimiento del cuerpo, este proceso regula el aumento del tamaño corporal. Y cuando el cuerpo está completamente formado, las células en proliferación regulan el intercambio fisiológico de las células y el reemplazo de las dañadas por otras nuevas.

Streliki, que es un grupo relacionado de ramas bilaterales y tempranas del desarrollo de organismos multicelulares, se ha utilizado para estudiar procesos evolutivos durante muchos años. Por lo tanto, inclinarse no es una excepción en el aspecto de 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 tentáculos.


Nematostella vectensis

Entre otras cosas, las reverencias, como ya sabemos, son conocidas por sus habilidades regenerativas. Durante cientos de años, los más populares entre los investigadores han sido considerados pólipos de hidra (un género de intestino sedentario de agua dulce de la clase de los hidroides). La proliferación activada por las células moribundas desencadena la regeneración de la cabeza basal de la hidra. El mismo nombre de esta criatura insinúa una criatura mítica conocida por su regeneración: la hidra de Lernean, que Hércules podría vencer.

Aunque las habilidades regenerativas se lograron unir a la proliferación, no está claro exactamente cómo este proceso celular se desarrolla en condiciones normales en diferentes etapas del desarrollo del cuerpo.

Las medusas, que tienen un ciclo de vida complejo que consta de dos etapas de reproducción (vegetativa y sexual), sirven como un excelente modelo para estudiar la proliferación.

En este trabajo, las medusas de la especie Cladonema pacificum desempeñaron el papel del principal individuo estudiado. Esta especie vive en la costa de Japón. Inicialmente, esta medusa tiene 9 tentáculos principales, que comienzan a ramificarse y aumentar de tamaño (como todo el cuerpo) durante el desarrollo a un adulto. Esta característica le permite estudiar en detalle todos los mecanismos involucrados en este proceso.

Además de Cladonema pacificum , el estudio también examinó otros tipos de medusas: Cytaeis uchidae y Rathkea octopunctata .

Resultados de la investigación

Para comprender el patrón espacial de la proliferación celular en Cladonema medusa, los científicos utilizaron la tinción con 5-etinil-2'-desoxiuridina (EdU), que marca las células en fase S * o las células que ya la han superado.

La fase S * es la fase del ciclo celular en la que ocurre la replicación del ADN.

Dado que Cladonema aumenta dramáticamente de tamaño y exhibe ramificación de tentáculos durante el desarrollo ( 1A - 1C ), la distribución de las células proliferantes puede cambiar a lo largo de la maduración.


Imagen No. 1: Características de la proliferación celular en Cladonema joven.

Debido a esta característica, fue posible estudiar el mecanismo de proliferación celular en medusas jóvenes (día 1) y sexualmente maduras (día 45).

En medusas jóvenes, se encontraron células EdU-positivas en grandes cantidades en todo el cuerpo, incluido un paraguas, manubrio (el órgano de soporte de la cavidad oral en las medusas) y 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 bastantes células EdU-positivas ( 1F y 1G ), pero en el paraguas su distribución fue muy uniforme, especialmente en la capa externa del paraguas ( exumbrella , 1H - 1K ). En tentáculos, las células EdU-positivas estaban fuertemente agrupadas ( 1N ). El uso de un marcador mitótico (anticuerpo PH3) permitió verificar que las células positivas para EdU son células que proliferan con precisión. Se detectaron células positivas para PH3 tanto en el paraguas como en el bulbo del tentáculo ( 1L y 1P ).

En los tentáculos, las células mitóticas se encontraron principalmente en el ectodermo ( 1P ), mientras que en el paraguas, las células proliferantes se ubicaron en la capa superficial ( 1M ).


Imagen No. 2: Características de la proliferación celular en cladonema maduro.

Tanto en individuos jóvenes como en células maduras, EdU-positivas se encontraron en grandes cantidades en todo el cuerpo. En el paraguas, las células positivas para EdU se encontraron con mayor frecuencia en la capa superficial que en la inferior, que es similar a las observaciones en individuos jóvenes ( 2A - 2D ).

Pero en los tentáculos, la situación era algo diferente. Las células EdU-positivas se acumularon en la base del tentáculo (bulbo), donde se encontraron dos grupos en ambos lados del bulbo ( 2E y 2F ). En individuos jóvenes, también se observaron acumulaciones similares ( 1N ), es decir Los bulbos de tentáculos pueden ser la principal zona de proliferación a lo largo de la etapa medusoide. Curiosamente, en el manubrio de adultos, el número de células EdU-positivas fue significativamente mayor que en los jóvenes ( 2G y 2H ).

El resultado intermedio es que la proliferación celular puede ocurrir de manera uniforme en el paraguas de las medusas, y en los tentáculos este proceso está muy localizado. Por lo tanto, se puede suponer que la proliferación celular uniforme puede controlar el crecimiento corporal y la homeostasis de los tejidos, pero los grupos de células proliferantes cerca de los bulbos del tentáculo están involucrados 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 crecimiento de un cuerpo de medusa.

Para probar 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 una medusa por su cúpula, ya que crece de manera uniforme y en proporción directa a todo el cuerpo.

Bajo la alimentación normal de laboratorio, el tamaño del domo aumenta dramáticamente en un 54.8% durante las primeras 24 horas, de 0.62 ± 0.02 mm ² a 0.96 ± 0.02 mm ² . Durante los siguientes 5 días de observaciones, el tamaño aumentó lenta y suavemente a 0.98 ± 0.03 mm ² ( 3A - 3C ).

Las medusas del otro grupo, que fueron privadas de alimentos, no crecieron, pero disminuyeron (línea roja en el gráfico 3C ). El análisis celular de las medusas hambrientas mostró la presencia de un número extremadamente pequeño de células EdU: 1240.6 ± 214.3 en medusas del grupo de control y 433.6 ± 133 en hambrientos ( 3D - 3H ). Esta observación puede ser evidencia directa de que la nutrición afecta directamente el proceso de proliferación.

Para probar esta hipótesis, los científicos realizaron un análisis farmacológico durante el cual bloquearon la progresión del ciclo celular usando hidroxicarbamida (CH ₄ N ₂ O ₂ ), un inhibidor del ciclo celular que causa la detención de G1. Como resultado de esta intervención, las células de fase S detectadas previamente con EdU desaparecieron ( 3I - 3L ). Por lo tanto, las medusas expuestas a CH ₄ N ₂ O ₂ no mostraron crecimiento corporal, en contraste con el grupo de control ( 3M ).

La siguiente etapa del estudio fue un estudio detallado de los tentáculos ramificados de las medusas para confirmar la suposición de que la proliferación local de células en los tentáculos contribuye a su morfogénesis.


Imagen 4: El efecto de la proliferación local en el crecimiento y la ramificación de los tentáculos de medusa.

Los tentáculos de las medusas jóvenes tienen una rama, pero con el tiempo su número aumenta. En condiciones de laboratorio, la ramificación aumentó 3 veces en el noveno día de observaciones ( 4A y 4C ).

Nuevamente, cuando se usa CH ₄ N ₂ O ₂ , no se observó ramificación del tentáculo, y solo hubo una rama ( 4B y 4C ). Es curioso que la eliminación de CH ₄ N ₂ O ₂ del cuerpo de las medusas restableció el proceso de ramificación de los tentáculos, lo que indica la reversibilidad de la intervención médica. Estas observaciones indican claramente la importancia de la proliferación para el desarrollo de tentáculos.

Las lombrices intestinales no serían lombrices intestinales sin nematocitos (cnidocitos, es decir, células de lombrices intestinales). En una medusa de la especie Clytia hemisphaerica, las células con forma de tallo en los bulbos de los tentáculos envían nematocistos a las puntas de los tentáculos precisamente debido a la proliferación celular. Naturalmente, los científicos decidieron verificar esta afirmación también.

Para detectar cualquier conexión entre los nematocistos y la proliferación, se usó una tinción central que puede marcar el poli-γ-glutamato sintetizado en la pared del nematocisto (DAPI, es decir, 4 ', 6-diamidino-2-fenilindol).

La tinción de poli-γ-glutamato nos permitió estimar el tamaño de los nematocitos, variando de 2 a 110 μm ² ( 4D - 4G ). También se detectaron varios nematocistos vacíos, es decir, dichos nematocitos se agotaron ( 4D - 4G ).

La actividad de proliferación en los tentáculos de las medusas se verificó mediante el estudio de los huecos en los nematocitos después de bloquear el ciclo celular debido a CH ₄ N ₂ O ₂ . La proporción de nematocitos vacíos en medusas después de la intervención farmacológica fue mayor que en el grupo control: 11.4% ± 2.0% en medusas del grupo control y 19.7% ± 2.0% en medusas con CH ₄ N ₂ O ₂ ( 4D - 4G y 4H ). Por lo tanto, incluso después del agotamiento, los nematocitos continúan siendo suministrados activamente con células progenitoras de proliferación, lo que confirma la influencia de este proceso no solo en el desarrollo de tentáculos, sino también en la nematogénesis en ellos.

La etapa más interesante fue el estudio de las habilidades regenerativas de las medusas. Dada la alta concentración de células proliferativas en el bulbo del tentáculo en las medusas maduras de Cladonema , los científicos decidieron estudiar la regeneración de los tentáculos.


Imagen 5: El efecto de la proliferación en la regeneración de tentáculos.

Después de la disección de los tentáculos en la base, se observó un proceso de regeneración ( 5A - 5D ). Durante las primeras 24 horas, la curación se produjo en la región de la incisión ( 5B ). En el segundo día de observaciones, la punta comenzó a alargarse y aparecieron ramificaciones ( 5C ). Al quinto día, el tentáculo estaba completamente ramificado ( 5D ), por lo tanto, la regeneración del tentáculo puede seguir la morfogénesis normal del tentáculo después del alargamiento.

Para estudiar mejor la etapa inicial de regeneración, los científicos analizaron la distribución de las células en proliferación utilizando la tinción de PH3 para visualizar las células mitóticas.

Si bien las células en división se observaron a menudo cerca de la región amputada, las células mitóticas se dispersaron en bulbos de tentáculos de control sin cortar ( 5E y 5F ).

Una evaluación cuantitativa de las células positivas para PH3 presentes en los bulbos de los tentáculos reveló un aumento significativo en las células positivas para PH3 en los bulbos de los tentáculos en individuos con extremidades amputadas en comparación con el grupo de control ( 5G ). Como conclusión, los procesos regenerativos iniciales están acompañados por un aumento activo en la proliferación celular en los bulbos del tentáculo.

El efecto de la proliferación en la regeneración se verificó bloqueando las células con CH ₄ N ₂ O ₂ después de cortar los tentáculos. En el grupo de control, la extensión del tentáculo después de la amputación se produjo normalmente, como se esperaba. Pero en el grupo en el que se aplicó CH ₄ N ₂ O ₂ , no se produjo el alargamiento, a pesar de la cicatrización normal de la herida ( 5H ). En otras palabras, la curación ocurrirá de todos modos, pero la proliferación es necesaria para la regeneración adecuada del tentáculo.

Finalmente, los científicos decidieron estudiar la proliferación en otras especies de medusas, a saber, Cytaeis y Rathkea .


Imagen 6: Comparación de la proliferación en medusas de las especies Cytaeis (izquierda) y Rathkea (derecha).

En Cytaeis medusa, se observaron células EdU -positivas en el manubrio, los bulbos de tentáculo y en la parte superior del paraguas ( 6A y 6B ). La ubicación de las células positivas para PH3 detectadas en Cytaeis es muy similar a Cladonema , sin embargo, hay algunas diferencias ( 6C y 6D ). Pero en Rathkea, las células EdU-positivas y PH3-positivas se encontraron casi exclusivamente en el área del bulbo del manubrio y del tentáculo ( 6E - 6H ).

También es interesante que a menudo se detectaron células proliferantes en los riñones de la medusa Rathkea ( 6E - 6G ), lo que refleja el tipo de reproducción asexual de esta especie.

Dada la información recibida, se puede suponer que la proliferación celular ocurre en los bulbos de los tentáculos de ninguna manera solo en una especie de medusa, aunque existen diferencias debido a la diferencia en fisiología y morfología.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo

Uno de mis personajes literarios favoritos es Hercule Poirot. El astuto detective siempre prestó especial atención a los pequeños detalles que parecían poco importantes para los demás. Los científicos recuerdan a muchos detectives que recopilan toda la evidencia que se puede encontrar para responder a todas las preguntas de la investigación y calcular el "culpable".

No importa cuán obvio pueda parecer esto, la regeneración de las células de medusa está directamente relacionada con la proliferación, un proceso integral en el desarrollo de células, tejidos y, como resultado, todo el organismo. Un estudio más meticuloso de este proceso integral permitirá una mejor comprensión de los mecanismos moleculares que lo subyacen, lo que, a su vez, expandirá no solo el espectro de nuestro conocimiento, sino que también afectará directamente nuestras vidas.



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