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Elegantes patrones de ramificación de tejidos
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Elegantes patrones de ramificación de tejidos

Hermosa simplicidad subyacente patrones de ramificación en el tejido.

En el año del centenario de la publicación de un tratado seminal sobre los principios físicos y matemáticos que sustentan la naturaleza - El crecimiento y la forma de D'Arcy Wentworth Thompson - un físico de Cambridge ha dirigido un estudio que describe una solución sencilla y elegante a un rompecabezas que tiene taxó a los biólogos durante siglos: cómo los patrones de ramificación complejos de tejidos surgen.

Los patrones de ramificación ocurren a través de la naturaleza - en árboles, helechos y corales, por ejemplo - pero también a una escala mucho más fina, donde son esenciales para asegurar que los organismos puedan intercambiar gases y fluidos con el ambiente eficientemente maximizando la superficie disponible .

Por ejemplo, en el intestino delgado, el tejido epitelial está dispuesto en una serie de protuberancias en forma de dedo. En otros órganos, como el riñón, el pulmón, las glándulas mamarias, el páncreas y la próstata, las superficies de intercambio se envasan eficientemente alrededor de estructuras epiteliales ramificadas intrincadas.

"En la superficie, la cuestión de cómo estas estructuras crecen - estructuras que pueden contener hasta 30 o 40 generaciones de ramificación - parece increíblemente complejo", dice el profesor Ben Simons, que dirigió el estudio, publicado hoy en la revista Cell . El Profesor Simons ocupa cargos en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y en el Instituto Gurdon del Reino Unido de Wellcome Trust / Cancer Research.

Este clásico problema de la "ramificación de la morfogénesis" ha atraído la atención de científicos y matemáticos durante siglos. De hecho, los fundamentos matemáticos de la morfogénesis -el proceso biológico que hace que los organismos desarrollen su forma- fue el tema del texto clásico de D'Arcy Wentworth Thompson, publicado en 1917 por Cambridge University Press. Thompson había sido un estudiante en Cambridge, estudiando zoología en el Trinity College, y trabajó brevemente como un Demonstrador Junior en Fisiología.

Durante el desarrollo, las estructuras de ramificación están orquestadas por células tipo tallo que impulsan un proceso de crecimiento y división ductal (o "bifurcación"). Cada rama siguiente dejará de crecer o continuará ramificándose de nuevo. En un estudio publicado en Nature a principios de este año, el Profesor Simons, en colaboración con el Dr. Jacco van Rheenen en el Instituto Hubrecht de Utrecht, demostró que en la glándula mamaria estos procesos de división y terminación ocurren aleatoriamente, pero con probabilidad casi igual.

"Mientras hay un proceso de toma de decisiones colectivo en curso involucrando múltiples tipos de células madre diferentes, nuestro descubrimiento de que el crecimiento ocurre casi al revés de una moneda sugirió que puede haber una regla muy simple que lo sustente", dice el profesor Simons.

El profesor Simons y su colega el Dr. Edouard Hannezo observaron que había muy poco cruce de las ramas - los conductos parecían expandirse para llenar el espacio, pero no se superponían. Esto les llevó a conjeturar que los conductos estaban creciendo y dividiéndose, pero tan pronto como una punta tocó otra rama, se detendría.

"De esta manera, se genera una red perfectamente llena de espacio, con precisamente la organización estadística observada, a través de la instrucción local más sencilla: se ramifica y se detiene cuando se cumple un conducto de maduración", dice el Dr. Hannezo, un becario de Sir Henry Wellcome Postdoctoral con sede en el Instituto Gurdon. "Esto tiene enormes implicaciones para la biología básica. Se da a conocer que las estructuras epiteliales ramificadas complejas se desarrollan como un proceso auto-organizado, confiado sobre una regla sorprendentemente simple, pero genérico, sin tener que recurrir a una secuencia rígida, predeterminada de programada genéticamente eventos."

A pesar de estas observaciones se basaron en el epitelio de la glándula mamaria, mediante el uso de datos primarios del Dr. Rosemary Sampogna la Universidad de Columbia, la profesora Anna Philpott en Cambridge y el Dr. Rakesh Heer en la Universidad de Newcastle, los investigadores fueron capaces de demostrar que las mismas reglas rigen el desarrollo embrionario del riñón de ratón, páncreas y próstata humana.

"En la glándula mamaria, que tiene cien o más células madre-como destino restringida que participan en este proceso de bifurcación-crecimiento-bifurcación, mientras que en el páncreas es sólo un puñado, pero la dinámica básica es la misma", dice el profesor Simons . "El modelo es estéticamente hermoso, porque las reglas son tan simples y, sin embargo, son capaces de predecir los complejos patrones de ramificación de estas estructuras".

Los investigadores dicen que su descubrimiento puede ofrecer ideas sobre el desarrollo del cáncer de mama y de páncreas, donde las primeras etapas de la enfermedad a menudo muestran una organización irregular en forma de conducto tangencial.

"Un siglo después de la publicación de On Growth and Form, es emocionante ver cómo los conceptos de autoorganización y emergencia continúan ofreciendo nuevas perspectivas sobre el desarrollo de sistemas biológicos, planteando nuevas preguntas sobre los mecanismos reguladores que operan a nivel celular y molecular escala ", añade el profesor Simons.

Si bien puede ser demasiado pronto para decir si se aplican reglas similares a otros tejidos y organismos ramificados, existen interesantes paralelos: la ramificación en los árboles parece seguir un patrón similar, por ejemplo, con ramas laterales que crecen y se bifurcan hasta quedar sombreadas o hasta que son examinados por otra rama, en cuyo punto ellos paran.

La investigación fue financiada por el Wellcome Trust con el apoyo básico adicional de Cancer Research UK y el Consejo de Investigación Médica.

"Este es un estudio elegante que nos ayuda a entender qué es lo que guía las decisiones de nuestras células durante los procesos de desarrollo esenciales." Es fascinante ver que tales reglas simples pueden gobernar la generación de tales patrones altamente complejos y que estas reglas pueden aplicarse a diferentes estructuras ramificadas ".


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