Cura antes do casamento: proliferação celular e habilidades regenerativas da água-viva

O que Wolverine, Deadpool e água-viva têm em comum? Todos eles têm uma característica incrível - regeneração. Obviamente, nos quadrinhos e nos filmes, essa capacidade, comum entre um número extremamente limitado de organismos vivos reais, é um pouco (e às vezes muito) exagerada, mas permanece bastante real. E o que é real pode ser explicado pelo que os cientistas da Universidade Tohoku (Japão) decidiram fazer em seu novo estudo. Quais processos celulares no corpo da água-viva estão associados à regeneração, como esse processo ocorre e quais outros superpoderes essas criaturas semelhantes à geléia têm? O relatório do grupo de pesquisa nos falará sobre isso. Vamos lá

Base de estudo

Antes de tudo, os cientistas explicam por que decidiram focar sua atenção nas águas-vivas. O fato é que a maioria das pesquisas no campo da biologia é realizada com a participação dos chamados organismos-modelo: camundongos, moscas da fruta, minhocas, peixes, etc. Mas existem milhões de espécies vivendo em nosso planeta, cada uma das quais com uma ou outra habilidade única. Portanto, é impossível avaliar completamente o processo de regeneração celular estudando apenas uma espécie e assumir que o mecanismo estudado será comum a todas as criaturas da Terra.



Quanto à água-viva, essas criaturas, com sua aparência, falam de sua singularidade, que não pode deixar de atrair a atenção dos cientistas. Portanto, antes de prosseguir com a dissecção do próprio estudo, conheci seu personagem principal.

A palavra "água-viva", que costumávamos chamar de criatura como tal, na verdade se refere apenas ao estágio do ciclo da vida, que ocorre no subtipo de medusozoários . Pessoas que têm um nome tão incomum devido à presença de células picadas (knidocyte) em seu corpo, que são usadas para caça e autodefesa. Simplificando, quando uma água-viva o picou, você pode agradecer a essas células pela dor e sofrimento.

Os knocócitos contêm knidocistos, uma organela intracelular responsável pelo efeito de picada. Na aparência e, consequentemente, no método de aplicação, são distinguidos vários tipos de knidócitos, dentre os quais se pode distinguir:

• penetrantes - fios com pontas pontiagudas que perfuram o corpo da vítima ou agressor, como lanças, injetando uma neurotoxina;
• glutinantes - fios pegajosos e longos que envolvem a vítima (não os abraços mais agradáveis);
• volventes são fios curtos nos quais a vítima pode facilmente se confundir.

Essas armas não-padrão, devido ao fato de que as medusas, embora graciosas, mas não criaturas muito ágeis. A neurotoxina, que entra no corpo da presa, a paralisa instantaneamente, o que dá muito tempo à água-viva para uma pausa para o almoço.


Água-viva depois de uma caçada bem-sucedida.

Além do método incomum de caça e defesa, as águas-vivas têm criação muito incomum. Os machos produzem espermatozóides e as fêmeas produzem óvulos, após a fusão dos quais formam planules (larvas) que se depositam no fundo. Depois de um tempo, um pólipo cresce a partir da larva, a partir do qual, ao atingir sua maturidade, as jovens águas-vivas literalmente se rompem (de fato, ocorre brotamento). Assim, existem várias etapas do ciclo de vida, uma das quais é a geração de água-viva ou água-viva.


O cyaney peludo, também conhecido como "juba do leão".

Se o cianeto peludo fosse perguntado como aumentar a eficiência da caça, ele responderia - mais tentáculos. Existem cerca de 60 deles (grupos de 15 tentáculos em cada canto da cúpula). Além disso, esse tipo de água-viva é considerado o maior, porque o diâmetro da cúpula pode chegar a 2 metros e os tentáculos durante a caça podem se estender até 20 metros. O bom é que essa espécie não é particularmente "venenosa", portanto não é fatal para os seres humanos.

Uma vespa do mar, por sua vez, acrescentaria qualidade à quantidade. Essa espécie de água-viva também possui 15 tentáculos (3 m de comprimento) em cada um dos quatro cantos da cúpula, mas seu veneno é muitas vezes mais forte que o de um parente grande. Acredita-se que a neurotoxina no corpo da vespa do mar seja suficiente para matar 60 pessoas em 3 minutos. Essa tempestade dos mares vive na zona costeira do norte da Austrália e da Nova Zelândia. Segundo dados de 1884 a 1996, 63 pessoas morreram na Austrália, mas esses dados podem ser imprecisos e o número de encontros fatais entre uma pessoa e uma vespa do mar pode ser muito maior. No entanto, de acordo com os dados de 1991-2004, dos 225 casos, apenas 8% das vítimas foram hospitalizadas, dentre as quais houve uma morte (criança de três anos).


Vespa do mar

Agora, voltando ao estudo que estamos considerando hoje.

Do ponto de vista das células, o processo mais importante em toda a vida de qualquer organismo é a proliferação celular - o processo de crescimento dos tecidos do corpo através da divisão celular. Durante o crescimento do corpo, esse processo regula o aumento do tamanho do corpo. E quando o corpo está totalmente formado, as células em proliferação regulam a troca fisiológica de células e a substituição de células danificadas por novas.

O Streliki, sendo um grupo relacionado de ramos bilaterais e iniciais do desenvolvimento de organismos multicelulares, tem sido usado para estudar processos evolutivos há muitos anos. Portanto, curvar-se não é uma exceção no aspecto da proliferação. Por exemplo, durante o desenvolvimento embrionário da anêmona do mar Nematostella vectensis, a proliferação celular é coordenada com a organização do epitélio e está envolvida no desenvolvimento de tentáculos.


Nematostella vectensis

Entre outras coisas, o arco, como já sabemos, é conhecido por suas habilidades regenerativas. Por centenas de anos, os mais populares entre os pesquisadores foram considerados pólipos de hidra (um gênero de intestino sedentário de água doce da classe hidroid). A proliferação ativada pelas células moribundas desencadeia a regeneração da cabeça basal da hidra. O próprio nome dessa criatura sugere uma criatura mítica conhecida por sua regeneração - a hidra de Lernean, que Hércules poderia derrotar.

Embora as habilidades regenerativas tenham sido ligadas à proliferação, ainda não está claro exatamente como esse processo celular ocorre em condições normais em diferentes estágios do desenvolvimento do corpo.

A água-viva, com um ciclo de vida complexo que consiste em duas etapas de reprodução (vegetativa e sexual), serve como um excelente modelo para o estudo da proliferação.

Neste trabalho, o papel do principal indivíduo estudado foi desempenhado pelas águas-vivas da espécie Cladonema pacificum. Esta espécie vive na costa do Japão. Inicialmente, essa água-viva possui 9 tentáculos principais, que começam a se ramificar e aumentar de tamanho (como todo o corpo) durante o desenvolvimento de um adulto. Esse recurso permite que você estude detalhadamente todos os mecanismos envolvidos nesse processo.

Além de Cladonema pacificum , o estudo também examinou outros tipos de água-viva: Cytaeis uchidae e Rathkea octopunctata .

Resultados da pesquisa

Para entender o padrão espacial da proliferação celular em Cladonema medusa, os cientistas usaram a coloração com 5-etinil-2'-desoxiuridina (EdU), que marca as células na fase S * ou células que já passaram por ela.

Fase S * é a fase do ciclo celular em que ocorre a replicação do DNA.

Dado que Cladonema aumenta drasticamente em tamanho e exibe ramificação de tentáculos durante o desenvolvimento ( 1A - 1C ), a distribuição de células em proliferação pode mudar ao longo da maturação.


Imagem Nº 1: Características da proliferação celular no jovem cladonema.

Devido a esse recurso, foi possível estudar o mecanismo de proliferação celular em águas-vivas jovens (dia 1) e sexualmente maduras (dia 45).

Nas medusas jovens, as células positivas para EdU foram encontradas em grande número em todo o corpo, incluindo um guarda-chuva, manúbrio (órgão de suporte da cavidade oral nas medusas) e tentáculos, independentemente do tempo de exposição a EdU ( 1D - 1K e 1N - 1O , EdU: 20 μM ( micromolar) após 24 horas).

No manúbrio, foram encontradas algumas células positivas para EdU ( 1F e 1G ), mas no guarda-chuva sua distribuição era muito uniforme, especialmente na concha externa do guarda-chuva ( exumbrella , 1H - 1K ). Nos tentáculos, as células positivas para EdU foram fortemente agrupadas ( 1N ). O uso de um marcador mitótico (anticorpo PH3) tornou possível verificar se as células positivas para EdU são células em proliferação precisa. As células PH3-positivas foram detectadas tanto no guarda-chuva quanto no bulbo do tentáculo ( 1L e 1P ).

Nos tentáculos, as células mitóticas foram encontradas principalmente no ectoderma ( 1P ), enquanto no guarda-chuva, as células em proliferação foram localizadas na camada superficial ( 1M ).


Imagem No. 2: Características da proliferação celular no cladonema maduro.

Tanto em indivíduos jovens quanto em células maduras, EdU-positivas foram encontradas em grande número em todo o corpo. No guarda-chuva, as células positivas para EdU foram mais frequentemente encontradas na camada superficial do que na inferior, o que é semelhante às observações em indivíduos jovens ( 2A - 2D ).

Mas, nos tentáculos, a situação era um pouco diferente. As células EdU-positivas se acumularam na base do tentáculo (bulbo), onde foram encontrados dois aglomerados em ambos os lados do bulbo ( 2E e 2F ). Em indivíduos jovens, também foram observadas acumulações semelhantes ( 1N ), ou seja, as lâmpadas de tentáculo podem ser a principal zona de proliferação em todo o estágio medusóide. Curiosamente, no manúbrio dos adultos, o número de células positivas para EdU foi significativamente maior do que nos jovens ( 2G e 2H ).

O resultado intermediário é que a proliferação celular pode ocorrer uniformemente no guarda-chuva de água-viva, e nos tentáculos esse processo é muito localizado. Portanto, pode-se supor que a proliferação celular uniforme possa controlar o crescimento do corpo e a homeostase do tecido, enquanto aglomerados de células em proliferação próximas às lâmpadas do tentáculo estão envolvidos na morfogênese dos tentáculos.

No aspecto do desenvolvimento do corpo como tal, a proliferação desempenha um papel importante no crescimento do corpo.


Imagem 3: A importância da proliferação no crescimento de um corpo de água-viva.

Para testar isso na prática, os cientistas acompanharam o crescimento do corpo de água-viva, começando com indivíduos jovens. É mais fácil determinar o tamanho do corpo de uma água-viva por sua cúpula, à medida que cresce de maneira uniforme e em proporção direta com o corpo inteiro.

Sob alimentação normal de laboratório, o tamanho da cúpula aumenta dramaticamente em 54,8% durante as primeiras 24 horas - de 0,62 ± 0,02 mm ² para 0,96 ± 0,02 mm ² . Nos cinco dias seguintes de observação, o tamanho aumentou lenta e suavemente para 0,98 ± 0,03 mm ² ( 3A - 3C ).

As águas-vivas do outro grupo, privadas de alimentos, não cresceram, mas diminuíram (linha vermelha no gráfico 3C ). A análise celular de água-viva faminta mostrou a presença de um número extremamente pequeno de células EdU: 1240,6 ± 214,3 em água-viva do grupo controle e 433,6 ± 133 em fome ( 3D - 3H ). Essa observação pode ser uma evidência direta de que a nutrição afeta diretamente o processo de proliferação.

Para testar essa hipótese, os cientistas realizaram uma análise farmacológica durante a qual bloquearam a progressão do ciclo celular usando hidroxicarbamida (CH ₄ N ₂ O ₂ ), um inibidor do ciclo celular que causa a parada do G1. Como resultado dessa intervenção, as células da fase S previamente detectadas com EdU desapareceram ( 3I - 3L ). Assim, as águas-vivas expostas ao CH ₄ N ₂ O ₂ não apresentaram crescimento corporal, em contraste com o grupo controle ( 3M ).

A próxima etapa do estudo foi um estudo detalhado dos tentáculos ramificados de água-viva, a fim de confirmar a suposição de que a proliferação local de células nos tentáculos contribui para sua morfogênese.


Imagem 4: O efeito da proliferação local no crescimento e ramificação de tentáculos de água-viva.

Os tentáculos de água-viva jovens têm um ramo, mas com o tempo seu número aumenta. Em condições de laboratório, a ramificação aumentou 3 vezes no nono dia de observações ( 4A e 4C ).

Novamente, ao usar CH4N2O2, nenhuma ramificação por tentáculo foi observada e havia apenas um ramo ( 4B e 4C ). É curioso que a remoção de CH ₄ N ₂ O ₂ do corpo de água-viva tenha restaurado o processo de ramificação dos tentáculos, o que indica a reversibilidade da intervenção médica. Essas observações indicam claramente a importância da proliferação para o desenvolvimento de tentáculos.

Os vermes não seriam vermes sem nematócitos (cnidócitos, isto é, células de vermes). Em uma água-viva da espécie Clytia hemisphaerica, as células em forma de haste nos bulbos dos tentáculos entregam nematocistos nas pontas dos tentáculos, precisamente devido à proliferação celular. Naturalmente, os cientistas decidiram verificar essa declaração também.

Para detectar qualquer conexão entre nematocistos e proliferação, foi utilizada uma mancha de núcleo que pode marcar o poli-γ-glutamato sintetizado na parede do nematocisto (DAPI, isto é, 4 ', 6' diamidino-2-fenilindole).

A coloração do poli-γ-glutamato nos permitiu estimar o tamanho dos nematócitos, variando de 2 a 110 μm ² ( 4D - 4G ). Também foram detectados vários nematocistos vazios, ou seja, esses nematócitos foram esgotados ( 4D - 4G ).

A atividade de proliferação nos tentáculos de água-viva foi verificada através do estudo dos vazios nos nematócitos após o bloqueio do ciclo celular devido ao CH ₄ N ₂ O ₂ . A proporção de nematócitos vazios nas águas-vivas após a intervenção medicamentosa foi maior que no grupo controle: 11,4% ± 2,0% nas águas-vivas do grupo controle e 19,7% ± 2,0% nas águas-vivas com CH ₄ N ₂ O ₂ ( 4D - 4G e 4H ). Consequentemente, mesmo após a depleção, os nematócitos continuam sendo ativamente supridos com células progenitoras da proliferação, o que confirma a influência desse processo não apenas no desenvolvimento de tentáculos, mas também na nematogênese neles.

O estágio mais interessante foi o estudo das habilidades regenerativas da água-viva. Dada a alta concentração de células proliferativas no bulbo do tentáculo em águas-vivas maduras de Cladonema , os cientistas decidiram estudar a regeneração dos tentáculos.


Imagem 5: O efeito da proliferação na regeneração de tentáculos.

Após dissecção dos tentáculos na base, foi observado um processo de regeneração ( 5A - 5D ). Nas primeiras 24 horas, ocorreu a cicatrização na região da incisão ( 5B ). No segundo dia de observações, a ponta começou a se alongar e a ramificação apareceu ( 5C ). No quinto dia, o tentáculo estava totalmente ramificado ( 5D ); portanto, a regeneração do tentáculo pode seguir a morfogênese normal do tentáculo após o alongamento.

Para estudar melhor o estágio inicial da regeneração, os cientistas analisaram a distribuição das células em proliferação usando a coloração com PH3 para visualizar as células mitóticas.

Enquanto as células em divisão eram frequentemente observadas perto da região amputada, as células mitóticas eram dispersas em lâmpadas de tentáculo de controle não cortadas ( 5E e 5F ).

Uma avaliação quantitativa das células positivas para PH3 presentes nas lâmpadas dos tentáculos revelou um aumento significativo nas células positivas para PH3 nas lâmpadas dos tentáculos em indivíduos com membros amputados em comparação ao grupo controle ( 5G ). Como conclusão, os processos regenerativos iniciais são acompanhados por um aumento ativo na proliferação celular nos bulbos dos tentáculos.

O efeito da proliferação na regeneração foi verificado bloqueando as células com CH4N2O2 após o corte dos tentáculos. No grupo controle, a extensão do tentáculo após a amputação ocorreu normalmente, conforme o esperado. Porém, no grupo em que o CH4N2O2 foi aplicado, o alongamento não ocorreu, apesar da cicatrização normal da ferida ( 5H ). Em outras palavras, a cura ocorrerá de qualquer maneira, mas a proliferação é necessária para a regeneração adequada do tentáculo.

Finalmente, os cientistas decidiram estudar a proliferação de outras espécies de água-viva, como Cytaeis e Rathkea .


Figura 6: Comparação da proliferação em águas-vivas das espécies Cytaeis (esquerda) e Rathkea (direita).

Em Cytaeis medusa, células positivas para EdU foram observadas no manúbrio, bulbos de tentáculos e na parte superior do guarda-chuva ( 6A e 6B ). A localização das células PH3 positivas detectadas em Cytaeis é muito semelhante ao Cladonema , no entanto, existem algumas diferenças ( 6C e 6D ). Porém, em Rathkea, células positivas para EdU e positivas para PH3 foram encontradas quase exclusivamente na área das lâmpadas de manúbrio e tentáculo ( 6E - 6H ).

Também é interessante que células proliferativas foram freqüentemente detectadas nos rins da água-viva Rathkea ( 6E - 6G ), o que reflete o tipo de reprodução assexuada dessa espécie.

Dadas as informações recebidas, pode-se supor que a proliferação celular ocorra nos bulbos dos tentáculos de maneira alguma apenas em uma espécie de água-viva, embora existam diferenças devido à diferença na fisiologia e morfologia.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Um dos meus personagens literários favoritos é Hercule Poirot. O detetive astuto sempre prestou atenção especial a pequenos detalhes que pareciam sem importância para os outros. Os cientistas lembram muitos detetives que coletam todas as evidências encontradas para responder a todas as perguntas da investigação e calcular o "culpado".

Por mais óbvio que isso possa parecer, a regeneração de células de água-viva está diretamente relacionada à proliferação - um processo integral no desenvolvimento de células, tecidos e, como resultado, em todo o organismo. Um estudo mais meticuloso desse processo abrangente permitirá uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes a ele, que, por sua vez, expandirão não apenas o espectro de nosso conhecimento, mas também afetarão diretamente nossas vidas.



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