La división celular es un proceso fundamental que los organismos necesitan para reproducirse, crecer y reparar.

Pero cuando un error interrumpe este complejo proceso biológico, las anormalidades celulares pueden conducir a enfermedades, como el cáncer, donde las células son capaces de crecer y dividirse sin control.

Utilizando una combinación de experimentos y modelos matemáticos, un equipo de investigadores del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad Tecnológica de Virginia en la Facultad de Ciencias y el Instituto de Ciencias de la Vida Fralin están comenzando a desentrañar los mecanismos que se esconden detrás de la tetraploidía, una anomalía cromosómica que se encuentra a menudo en los tumores malignos.  Sus hallazgos se publicaron el 29 de abril en eLife, una revista de acceso abierto dedicada a la investigación en ciencias de la vida.

"Nuestro estudio utilizó análisis de células fijas, imágenes de células vivas y modelos matemáticos para ayudarnos a comprender mejor el papel de la tetraploidía en la formación y progresión de los tumores. Este trabajo sienta las bases para futuros estudios para comprender realmente la relación entre la tetraploidía y el cáncer. Si sabemos lo que ocurre en los tumores, entonces podemos tener una mejor idea de cómo desarrollar mejores tratamientos para ellos", dijo Nicolaas Baudoin, el autor principal del estudio y un reciente doctorado en el Departamento de Ciencias Biológicas y el programa BIOTRANS, un programa interdisciplinario de graduados de biólogos e ingenieros.

Cada célula "madre" humana contiene dos copias de cada cromosoma. Antes de que comience la división celular, cada cromosoma se duplica para que la información genética se distribuya equitativamente entre dos células "hijas".  Pero si la célula madre no logra completar la división celular, los cuatro cromosomas se asignan a una célula hija, lo que hace que la célula sea tetraploide, cuando estas células adquieren el doble de cromosomas, también adquieren el doble de centrosomas.

Entre sus funciones organizativas y estructurales, los centrosomas son clave para formar microtúbulos y fibras fusiformes, que trabajan para separar los cromosomas durante la división celular. Con la sobreabundancia de centrosomas, los cromosomas son jalados en muchas direcciones diferentes y la división celular puede tener resultados anormales.  Estudios anteriores habían sugerido que estos centrosomas adicionales pueden causar la formación de tumores, inducida por la tetraploidía.  Pero entonces, el equipo de Virginia Tech se encontró con dos estudios en modelos de progresión del cáncer, que mostraron que las células ganaron centrosomas extra inicialmente, pero terminaron perdiéndolos con el tiempo.

"El objetivo principal de nuestro estudio fue verificar que las células tetraploides pierden los centrosomas extra, examinar la dinámica de este proceso y descubrir el mecanismo que causa esta pérdida de centrosomas de las células tetraploides", dijo Daniela Cimini, profesora del Departamento de Ciencias Biológicas y codirectora de BIOTRANS.  Utilizando imágenes de células vivas y análisis de células fijas en un modelo in vitro, el equipo confirmó que las células tetraploides perdieron los centrosomas adicionales que habían ganado durante la tetraploidización.

En experimentos guiados por modelos matemáticos, concluyeron que la pérdida de centrosomas ocurre cuando las células tetraploides divididas agrupan sus centrosomas extra asimétricamente.  Como resultado, una de las células hijas heredará un centrosoma - en lugar de dos - lo que permitirá a la célula sufrir menos fallos en la división celular y producir más células a largo plazo.

Este hallazgo puede explicar cómo ciertos cánceres pueden primero ganar centrosomas extra durante la tetraploidización, pero luego perderlos en etapas posteriores.  Esto indica que la relación causal entre la tetraploidía y el cáncer debe ser investigada más a fondo.

El modelo matemático también encontró que las únicas células que podían sostener la supervivencia a largo plazo con centrosomas adicionales eran las células que podían agrupar con éxito y de manera consistente estos centrosomas en dos grupos durante la división celular.  Estas predicciones fueron probadas experimentalmente y revelaron un mecanismo que explica por qué ciertas células cancerosas sobreviven a pesar de su recuento adicional de centrosomas.

Y si las células no logran agrupar sus centrosomas adicionales de manera efectiva, la siguiente generación de células hijas morirá.

Baudoin y Cimini están de acuerdo en que este nivel de comprensión mecánica sólo fue posible gracias a su colaboración con Jing Chen, un biólogo matemático y profesor asistente de ciencias biológicas en el Virginia Tech College of Science.

"Construido sobre mediciones experimentales, el modelo matemático pinta un cuadro continuo y detallado sobre cómo cambian los números del centrosoma de las células. Esto nos permite ver información que no puede ser medida por los experimentos", dijo Chen, un miembro de la facultad afiliada del Instituto de Ciencias de la Vida Fralin y BIOTRANS.

A continuación, el equipo quiere aprovechar su modelo para entender mejor la dinámica celular dentro de los cultivos tridimensionales y los tumores reales.  En su sistema in vitro, el equipo podría tener una idea de lo que estaba sucediendo dentro de las células mediante el seguimiento y la obtención de imágenes, pero esto no puede hacerse en sistemas más complejos como los tumores reales.  Con su modelo más reciente y los datos anteriores, el equipo será capaz de hacer algunas predicciones convincentes.
Según Chen, el éxito de los estudios actuales y futuros sobre el cáncer podría atribuirse a una colaboración única, pero muy importante, entre investigadores de los campos de la biología y las matemáticas.

"Esta colaboración mano a mano entre el experimentador y el modelador es muy importante - y es un gran enfoque para modelar los estudios biológicos. El proceso requiere mucha comunicación estrecha entre nosotros. Cuando se hace correctamente, puede ser muy poderoso", dijo Chen.

Fuente: Virginia Tech