Durante la especialización, las células individuales forman diferentes tipos de células de las vías respiratorias, un proceso que puede incluir un período de incertidumbre, aunque aparece codificado para el desarrollo de células específicas de las vías respiratorias. Esta incertidumbre ayuda a las células a especializarse, pero también a responder a un entorno en constante cambio.

Estos son los hallazgos presentados por un equipo internacional de investigadores dirigido por Kedar Natarajan, profesor asociado de DTU, Publicado en Avances de la ciencia.

«Este hallazgo puede ser una buena noticia para los pacientes con tipos de células de las vías respiratorias irregulares, incluidos el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y la fibrosis quística», dice Kedar Natarajan.

Los seres humanos están formados por billones de células formadas por varios tipos de células que realizan funciones especializadas dentro de los órganos. La forma en que se forman los tipos de células, especialmente las células especializadas en las vías respiratorias, durante la etapa temprana de la embriogénesis (desarrollo embrionario) es importante para el tratamiento y las enfermedades crónicas.

Los investigadores utilizaron tecnología sensible de última generación, así como secuenciación y métodos computacionales para comprender el proceso de formación de estos tipos de células durante la embriogénesis temprana, y encontraron evidencia de un modelo no estándar, en el que las células toman decisiones de manera no estándar. -manera jerárquica, continua, a diferencia de otros sistemas bien estudiados.

«Nuestro análisis del curso temporal del desarrollo embrionario captura un nuevo progenitor, es decir, poblaciones de células maternas en el epitelio mucociliar, como las vías respiratorias, que consisten en diferentes tipos de células, como células basales, ionocitos y células caliciformes. Esta población progenitora ocurre mucho antes de lo esperado y contribuye a la composición de todos los principales tipos de células, destacando el papel crítico de la heterogeneidad celular antes de comprometerse con una especialidad. Esto significa que la decisión sobre algunos tipos de células se toma mucho antes de que se vea», dice Kedar Natarajan.

Las enfermedades respiratorias crónicas son una de las principales causas de muerte en todo el mundo
Los investigadores estudiaron un tipo específico de célula progenitora de los tejidos del tracto respiratorio, el llamado epitelio mucociliar. Los mecanismos moleculares que permiten que las células se especialicen con el tiempo durante el desarrollo del epitelio mucoso ciliado se han explorado relativamente menos hasta la fecha.

Diferentes tipos de células brindan inmunidad natural y eliminan patógenos, polvo y otras partículas de las vías respiratorias mientras mantienen niveles óptimos osmóticos, iónicos y ácido-base. La formación y función de células especializadas se ve afectada en personas con afecciones respiratorias como asma y enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Estas enfermedades crónicas pueden aliviarse hoy en día, pero aún no existe una cura.
Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), los problemas respiratorios causan alrededor del 15 por ciento de todas las muertes. Estos incluyen enfermedades como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, así como el cáncer, la neumonía y la fibrosis quística. Estimaciones de la Organización Mundial de la Salud Solo 339 millones de personas en todo el mundo sufren de asma.

«Para comprender lo que sucede cuando ocurren enfermedades respiratorias crónicas, necesitamos tener una mejor idea de todos los estados por los que pasa una célula, especialmente durante las primeras etapas de formación de tipos de células. A menudo estudiamos qué le sucede a una célula después de que se estropea, y luego tratar de arreglarlo. También debemos estudiar cómo se forma una célula para comprender mejor cómo se descompone. Las células del cuerpo se renuevan todo el tiempo, por lo que cuando sabemos cómo la decisión de una célula puede verse afectada el conocimiento puede ayudar a abrir una nueva puerta a la forma en que tratamos enfermedades como el asma o la EPOC, explica Kedar Natarajan.

«Nuestro trabajo proporciona información sobre los cambios en el estado de las células que ocurren cuando se desarrolla el tejido mucociliar. Ayuda a diseccionar los mecanismos involucrados durante la formación del tejido. Este conocimiento podría ser útil en el desarrollo de terapias regenerativas para enfermedades pulmonares crónicas, por ejemplo».

Un sistema razonable que mantiene los pulmones limpios
El tejido respiratorio consiste en un sistema complejo de células con muchas funciones fijas. El sistema se denomina colectivamente epitelio mucociliar. Moco significa limo y es el nombre en latín de la mucosidad que cubre y protege la membrana mucosa. Los cilios son los pelos finos que recubren la membrana mucosa, y el epitelio es un término que se refiere a las células que cubren las superficies interna y externa del cuerpo.

Diferentes células mucociliares realizan cuatro funciones centrales, que juntas permiten y protegen la función bronquial. Las células productoras de moco forman una barrera defensiva contra los patógenos, la suciedad y las bacterias, mientras que las células ciliadas reaccionan a los fluidos y provocan el flujo y la eliminación de las partículas atrapadas mediante una multiplicación coordinada. Las células reguladoras de iones son necesarias para mantener los niveles osmóticos, iónicos y ácido-base, mientras que los basófilos pueden regenerar los tipos de células necesarias para que funcionen normalmente cuando se produce un daño.

Todos surgen del mismo tipo de células, predestinadas a convertirse en las células que componen el epitelio mucociliar. Durante el proceso de desarrollo, la célula pasa por distintas etapas (gastrulación, neurosis, etapas de caudado temprana y tardía) para formar todos los tipos de células principales. Sin embargo, las etapas de neurulación y las divisiones celulares relacionadas determinan cómo las células se transforman en cuatro tipos de células epiteliales mucosas ciliadas especializadas con el tiempo.

¿Por qué puede ocurrir un error en el camino?
Juntas, las células garantizan que pueda respirar sin obstrucciones ni daños en las vías respiratorias, por ejemplo, debido al polvo en el aire que respira. En las enfermedades respiratorias, las células se desvían de su trayectoria de crecimiento y continúan desarrollándose desde ese nuevo punto.

«Necesitamos entender qué sucede en una célula individual en las diferentes etapas del desarrollo del tejido, es decir, ¿hay etapas discretas en las que se produce la diferenciación o es aleatoria? Si entendemos cómo las células toman estas decisiones de destino, podríamos ser capaces de, entre otras cosas, corregir errores en trabajos que pueden desarrollarse en el camino”, dice Kedar Natarajan.
Los defectos en las funciones de tipo celular dan como resultado fenotipos de enfermedad típicos en personas con, por ejemplo, asma, enfermedad pulmonar obstructiva crónica y fibrosis quística. Esto hace que las vías respiratorias sean más vulnerables a infecciones y enfermedades y puede afectar la función de los pulmones.

Más de 20 enfermedades diferentes del sistema respiratorio son causadas por daños en los cilios en la superficie del tejido de la mucosa; por ejemplo, pueden ser demasiado pequeños o moverse de manera inconsistente. Esto significa que no pueden barrer correctamente, por lo que el polvo puede alejarse de las vías respiratorias”, dice Kedar Natarajan.

Se han estudiado transformaciones celulares en ranas.
Los investigadores tomaron las células ciliadas mucosas de la rana Xenopus como punto de partida. El desarrollo en células de rana es similar al desarrollo de células mucociliares en humanos. La diferencia es que es más fácil distinguir entre las cuatro direcciones en las que se desarrollan las células en las células pluripotentes.

Los investigadores mapearon el desarrollo de cada célula en diez etapas de desarrollo diferentes, desde células indiferenciadas (etapa 8) hasta células diferenciadas (etapa 27), durante las cuales se forman los principales tipos de células para funciones específicas. Explicar cómo se diferencian las células en todas las etapas es como comprender un árbol genealógico muy complejo, analizando lo que varía de generación en generación.

En total, los investigadores estudiaron aprox. 35.000 celdas. Los investigadores solo han estudiado los cambios que ocurren entre etapas y, por lo tanto, los han evaluado casi con cuidado. 3000 genes por célula. Esto generó grandes cantidades de datos que hicieron que los investigadores se dieran cuenta de que algunas células pasan por un estado previamente desconocido (denominado «epitelización temprana») y se especializan de una manera distinta.

«Durante nuestro trabajo, descubrimos una población progenitora que creemos que antes faltaba. Llamamos a las células progenitoras epiteliales tempranas. Se especializan en formar iontomorfos tardíos, células caliciformes y poblaciones de células basales. Por lo tanto, proponemos un modelo en el que las células epiteliales tempranas los progenitores experimentan transiciones de destino de una manera continua y no jerárquica que varía según el modelo estándar”, dice Kedar Natarajan.

caja de hechos
Diferentes células mucociliares realizan cuatro funciones centrales, que juntas permiten y protegen la función bronquial. Las células caliciformes productoras de moco forman una barrera defensiva contra los patógenos, la suciedad y las bacterias. Las células multifacilitadas interactúan con los fluidos, impulsan el flujo y limpian las partículas atrapadas a través de golpes coordinados. Los ionocitos regulan los niveles osmóticos, iónicos y ácido-base, mientras que los basófilos pueden regenerar los tipos de células necesarios para el funcionamiento normal cuando se produce un daño.

epitelio Un término general para las células que cubren las superficies internas y externas del cuerpo.

moco Cubre y protege las membranas mucosas de los mamíferos, incluidos los humanos.

cilios Son pequeños pelos que recubren la membrana mucosa.