Cómo funciona el primer método para medir los cambios celulares a lo largo del tiempo

En su comprensión de la vida como un sistema dinámico, los biólogos han estado perfeccionando sus estudios en los últimos años en función de mejorar el bienestar del ser humano, enfocados especialmente en observar y comprender el comportamiento celular a lo largo del tiempo.

En el último tiempo, han adquirido una comprensión cada vez más profunda de los sistemas biológicos complejos utilizando herramientas de Inteligencia Artificial y procesamiento de datos, que permiten el análisis simultáneo de grandes cantidades de información, tanto celulares, como moleculares y el sondeo de los circuitos en las propias células que provocan distintas enfermedades.

Sin embargo, estas investigaciones en profundidad sobre cómo se comportan e interactúan las células han proporcionado sólo instantáneas separadas de lo que sucede dentro de organismos complejos, sin tener en cuenta la dimensión del tiempo ni revelar la secuencia de eventos celulares.

Las células son los componentes fundamentales de la vida y sirven como unidades estructurales y funcionales básicas de todos los organismos vivos. Las células del cuerpo humano son muy diversas y especializadas, lo que permite a los organismos multicelulares realizar una amplia gama de tareas.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en Cell, investigadores del laboratorio del Profesor Ido Amit en el Instituto Weizmann de Ciencias han logrado desarrollar por primera vez un método para rastrear y medir los cambios a lo largo del tiempo en células individuales dentro del cuerpo. El método, denominado Zman-seq (de la palabra hebrea zman, que significa “tiempo”), consiste en etiquetar células con diferentes marcas de tiempo y rastrearlas en tejido sano o patológico.

Este enfoque innovador permite rastrear y medir los cambios en las células individuales del cuerpo a lo largo del tiempo. “Saber qué precedió a qué no es suficiente para deducir la causalidad, pero sin este conocimiento, no tenemos ninguna posibilidad de comprender cuáles son la causa y el efecto”, dijo el profesor Amit.

Utilizando esta máquina del tiempo celular, los investigadores pueden conocer la historia de las células y cuánto tiempo permaneció cada célula en el tejido, logrando finalmente comprender los cambios temporales moleculares y celulares que tuvieron lugar dentro de ese tejido.

Las tecnologías unicelulares, las herramientas que permiten a los biólogos comprender lo que sucede dentro de las células individuales, han avanzado significativamente en los últimos años, en gran parte gracias a la vibrante comunidad de investigación unicelular en la que el laboratorio de Amit es uno de los pioneros.

Con estas herramientas ahora es posible obtener imágenes de alta resolución de cómo se desarrollan las enfermedades y cómo responde el cuerpo a diferentes medicamentos, identificar poblaciones de células raras, descifrar qué células interactúan entre sí y cómo se distribuyen espacialmente en un tejido. Sin embargo, todos estos importantes conocimientos equivalen a obtener muchas imágenes fijas de una película y tratar de comprender la trama.

La historia del estudio

La investigación se originó a partir del trabajo innovador del doctor Daniel Kirschenbaum, investigador postdoctoral en el laboratorio del Prof. Ido Amit. Su motivación residía en abordar los desafíos que plantea el glioblastoma, un tumor conocido por su naturaleza inmunosupresora. Kirschenbaum nació en Hungría e hizo su doctorado en neuropatología en Suiza, donde estudió el glioblastoma, el tumor cerebral más común y agresivo, que provoca 200.000 muertes cada año en todo el mundo.

Impulsado por la necesidad de comprender la dinámica de las células inmunitarias dentro del glioblastoma, Kirschenbaum se propuso explorar por qué las células inmunitarias se vuelven disfuncionales en la lucha contra el tumor.

“Normalmente pensamos en el cáncer como células que crecen sin control, pero en realidad el cáncer es también la pérdida de la capacidad del cuerpo, y específicamente de su sistema inmunológico, para controlar este crecimiento. Y cuando nos fijamos en los tumores, una gran parte de ellos están compuestos por células inmunitarias disfuncionales, que a veces constituyen un tercio o incluso la mitad de todas las células de un tumor”, explicó Kirschenbaum.

Y agregó: “Para comprender cómo vencer este cáncer, uno de los tipos de tumores más inmunosupresores, debemos comprender qué les sucede a las células inmunitarias cuando ingresan al tumor y por qué pierden la capacidad de combatir el tumor y se vuelven disfuncionales. Lo ideal sería tener un pequeño reloj en cada célula que nos indique cuándo entró en el tumor y cuándo se activan las señales y puntos de control que le indican que se vuelva incompetente. Se pensaba que esta máquina del tiempo de regreso al futuro era imposible de desarrollar”.

El gran avance se produjo cuando Kirschenbaum decidió adoptar un enfoque sorprendente y lo explicó así: “En lugar de intentar medir el tiempo en las células dentro del tejido tumoral, decidimos intentar marcar las células mientras todavía están en la sangre, antes de que entren en el tumor. Al usar diferentes tintes fluorescentes en diferentes momentos, luego podemos saber exactamente cuándo entró cada célula en el tejido y cuánto tiempo estuvo allí, y esto revela los cambios dinámicos que les sucedieron a las células en el tejido, por ejemplo, qué son las diferentes etapas en las que las células inmunes se vuelven disfuncionales dentro del tumor”.

“El desafío era desarrollar la forma óptima de colorear las células de la sangre en momentos específicos, asegurándose de que el tinte no llegue al tejido en sí o permanezca demasiado tiempo en la sangre, potencialmente mezclándose con el siguiente tinte. Al mismo tiempo, el tinte tenía que permanecer en las células el tiempo suficiente para poder medirlas. Como parte del estudio, los investigadores del laboratorio de Amit demostraron que el método permite medir el tiempo en las células inmunes en diferentes tejidos: el cerebro, los pulmones y el sistema digestivo de modelos animales”, añadió el experto.

Utilizando Zman-seq, Kirschenbaum y sus colegas pudieron comprender por qué el sistema inmunológico es tan disfuncional en la lucha contra el glioblastoma.

“Por ejemplo, demostramos que las células inmunes llamadas células asesinas naturales, que, como su nombre lo indica, son cruciales para matar las células rebeldes, se vuelven disfuncionales muy rápidamente porque el tumor secuestra sus mecanismos de destrucción, y esto sucede en menos de 24 horas después de su muerte y entrada al tumor. Esto explica por qué los intentos terapéuticos de aprovechar el sistema inmunológico para combatir el glioblastoma son tan ineficaces”, afirma Kirschenbaum.

Otros miembros del laboratorio de Amit en el Departamento de Inmunología de Sistemas de Weizmann, incluidos los doctores Ken Xie y Florian Ingelfinger, contribuyeron al desarrollo de Zman-seq. Entre los colaboradores se encontraban los inmunólogos Prof. Marco Colonna de la Universidad de Washington, Prof. Katayoun Rezvani de la Universidad de Texas, Prof. Florent Ginhoux del Instituto de Inmunología de Shanghai, neurooncólogo Dr. Tobias Weiss del Hospital Universitario de Zurich y biólogos computacionales Prof. Fabian J. Theis del Centro Helmholtz de Múnich y el Prof. Nir Yosef del Instituto Weizmann.

Ahora, los investigadores del laboratorio de Amit están desarrollando formas de bloquear los puntos de control tumorales que incapacitan el sistema inmunológico para reactivar el sistema inmunológico en el glioblastoma y otros tumores difíciles de tratar. Además, planean adaptar Zman-seq al estudio de la dinámica temporal de las células de todo el cuerpo humano.

“Por ejemplo, muchos pacientes con cáncer reciben terapia antes de la cirugía. Queremos utilizar el método para colorear las células inmunitarias del cuerpo durante ese período para que, después de la cirugía, podamos comprender mejor la dinámica de las células inmunitarias en el tumor y optimizar los tratamientos de los pacientes”, añade Kirschenbaum.

“Hasta hoy, había bastantes métodos diferentes que intentaban analizar datos unicelulares y organizarlos a lo largo de un eje temporal según diferentes parámetros. Pero todos estos enfoques fueron algo arbitrarios al elegir cuál es la secuencia de eventos. Zman-seq proporciona los ‘hechos concretos’, las mediciones empíricas que permiten a los científicos comprender el orden preciso de los eventos que siguen las células inmunes y otras células pasan cuando ingresan a un tumor, y esto puede conducir a una idea completamente nueva sobre cómo generar terapias más efectivas para el cáncer y otros trastornos”, concluyó el especialista.