"Nanotubos de efecto túnel" pasados por alto
durante largo tiempo
y otros puentes entre las células
actúan como conductos para compartir
ARN, proteínas o incluso orgánulos enteros.
Cuando el médico y científico Emil Lou era oncólogo en el Memorial Sloan Kettering Cancer Center hace una década, se veía regularmente preocupado por la visión de algo pequeño pero no identificable en sus cultivos de células cancerígenas.
Al mirar a través del microscopio, dijo, "siguió buscando estas líneas translúcidas largas y delgadas", de unos 50 nanómetros de ancho y de 150 a 200 micras de largo, que se extienden entre las células del cultivo.
Hizo un llamamiento a los biólogos de células de clase mundial en su edificio para explicar estas observaciones, pero nadie estaba seguro de lo que estaban viendo.
Finalmente, después de profundizar en la literatura, Lou se dio cuenta de que las líneas coincidían con lo que el grupo de Hans-Hermann Gerdes en la Universidad de Heidelberg describió como "autopistas nanotubulares" o "nanotubos de túnel" (TNT) en un artículo de 2004 (Nanotubular Highways for Intercellular Organelle Transport) en la revista Science.
A Lou le preocupaba que las líneas que había notado pudieran ser ilusorias, por lo que revisó el archivo de especímenes tumorales de pacientes en el centro oncológico. Y he aquí, los mismos largos procesos celulares estuvieron presentes en los tumores, así que se propuso investigar su relevancia.
Desde entonces, como miembro de la facultad de la Universidad de Minnesota, ha encontrado pruebas de que las células tumorales utilizan estos TNT para compartir mensajes moleculares en forma de pequeños fragmentos reguladores de ARN llamados microARN, permitiendo que las células cancerosas resistentes a los fármacos de quimioterapia confieran la misma resistencia en sus vecinos.
¿Cómo pasaron desapercibidos los nanotubos de túnel durante tanto tiempo?
Lou señala que, en las últimas décadas, la investigación sobre el cáncer se ha centrado principalmente en detectar y atacar de forma terapéutica las mutaciones en las células cancerígenas, y no las estructuras entre ellas.
"Está justo frente a nosotros, pero si eso no es en lo que la gente se está enfocando, no lo van a ver", dijo.
Eso está cambiando ahora. En los últimos años, el número de investigadores que trabajan en TNT y descifrando lo que hacen ha aumentado abruptamente.
Los equipos de investigación han descubierto que los TNT transfieren todo tipo de carga más allá de los microARN, incluidos los ARN mensajeros, las proteínas, los virus e incluso los orgánulos enteros, como los lisosomas y las mitocondrias.
"Es solo la punta del iceberg", dijo Lou. "Es un momento muy emocionante ver esto".
Estas estructuras frágiles están apareciendo no solo en el contexto de enfermedades como el cáncer, el SIDA y las enfermedades neurodegenerativas, sino también en el desarrollo embrionario normal.
Las células adultas sanas generalmente no producen TNT, pero las células estresadas o enfermizas inducirlas al enviar señales para pedir ayuda.
Sin embargo, no está claro cómo las células sanas sienten que sus vecinos necesitan ayuda o cómo "saben" fisiológicamente qué carga específica enviar.
Ver es creer
El descubrimiento del TNT fue un feliz accidente.
Amin Rustom, que era miembro del grupo de Gerdes en ese momento y todavía es investigador en la Universidad de Heidelberg, recuerda que sucedió porque estaba usando un nuevo tinte fluorescente para etiquetar las características celulares de interés.
El protocolo para usar el tinte requirió varios pasos secuenciales de lavado, pero omitió algunos de ellos y miró sus células de todos modos. Fue entonces cuando vio las largas estructuras tubulares, que el tinte había hecho más visibles (cree que los pasos de lavado las habrían roto).
Con las técnicas de microscopía, el grupo examinó más las estructuras y determinó que son canales abiertos a través de los cuales los orgánulos y las vesículas de membrana se mueven de una célula a otra.
En ese momento quedó claro que los tubos de membrana eran,
"un mecanismo completamente nuevo de comunicación célula-célula", explicó Rustom.
Sin embargo, no fue tan fácil convencer a otros: algunos investigadores sospecharon que estos TNT eran artefactos experimentales, no estructuras que se daban naturalmente.
Le tomó al grupo cuatro o cinco años publicar su artículo debido al fuerte escepticismo con el que se encontraron los hallazgos, dijo.
El tumor influye en el cerebro,
y el cerebro influye en el tumor.
Este es un nivel de complejidad
eso es casi terrorífico
Frank Winkler
Confirmar que los TNT son de hecho una avenida para la comunicación intercelular ha seguido siendo un gran desafío.
Las células tienen otras opciones para intercambiar moléculas, sobre todo las estructuras llamadas uniones gap y exosomas.
Si los TNT son parecidos a los pasos elevados, las pasarelas peatonales cerradas que conectan edificios separados, luego las uniones de huecos (poros cerrados que pasan a través de las membranas de las células vecinas) son como puertas entre habitaciones contiguas.
Hace tiempo que se creía que los exosomas, pequeñas vesículas diseminadas por las células, eran bolsas de basura que transportaban escombros, pero ahora los científicos las reconocen como vehículos para transportar microARN y otras moléculas de señalización entre las células, a veces a largas distancias.
El desafío para identificar el rol de los TNT es que es difícil inhibir cualquiera de estos canales de comunicación sin interferir con los demás.
Muchos esfuerzos recientes también se centran en encontrar biomarcadores para TNT para distinguirlos de estructuras de aspecto similar como filopodia, largas protrusiones celulares que se usan para detectar y locomoción.
Los filopodios no son abiertos, y no transfieren carga de una célula a otra, pero pueden ser difíciles de distinguir de los TNT en función de la forma.
Lo que complica las cosas es que los TNT aparecen en una amplia variedad de tipos de células y son morfológicamente diversos, apareciendo en una amplia gama de tamaños.
En algunos casos, son lo suficientemente grandes como para ser considerados microtubos en lugar de nanotubos, y algunos investigadores creen que los TNT más pequeños son funcionalmente diferentes de los microtubos. Se están realizando esfuerzos para caracterizar los diferentes subtipos de nano y microtubos.
Pero es comprensible que muchos científicos alberguen un gran escepticismo sobre las supuestas funciones de los TNT.
Chiara Zurzolo, directora del departamento de biología celular e infección del Instituto Pasteur de París, investiga sobre TNT pero reconoce esta dificultad.
"No están completamente caracterizados, así que ¿cómo puedo creer en algo que puede ser cualquier cosa?" preguntó ella.
Sin embargo, están surgiendo respuestas útiles porque el campo en ciernes de la investigación de TNT se está beneficiando de los avances en microscopía y otras técnicas.
Ian Smith, que estudia TNT en la Universidad de California, Irvine, se especializa en métodos de imagen como la microscopía de celosía con luz, que es lo suficientemente suave para ser utilizada para observar células vivas durante horas o incluso días.
Este método permite a los investigadores ver las delicadas estructuras de los TNT en las células vivas y rastrear las moléculas individuales que se mueven entre ellas.
"Poder ver lo que estudias, para mí, es solo la principal fuerza impulsora de por qué siempre me interesó el microscopio", dijo Smith.
Ian Smith,
un investigador profesional asociado
en la Universidad de California, Irvine,
utiliza técnicas de imágenes suaves para observar
tunelización de nanotubos entre células vivas
por horas o días a la vez.
Cortesía de Ian Smith
Gal Haimovich, ahora investigador del Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, se unió al laboratorio de Robert Singer en el Colegio de Medicina Albert Einstein como becario postdoctoral en 2012 con un interés en estudiar la transferencia intercelular de ARN.
En ese momento, el modelo estándar para la transferencia de ARN era que las moléculas se empaquetaban en exosomas que luego se difunden entre las células.
Pero eso no se había observado directamente; se había deducido de experimentos bioquímicos.
Haimovich quería utilizar métodos de imágenes desarrollados en el laboratorio Singer, porque podían visualizar el ARN en tránsito y recopilar más datos cuantitativos sobre él.
Cultivó dos cepas de células, de las cuales solo una podía expresar un ARNm particular, en el mismo plato de cultivo y observó lo que sucedió.
Ante sus ojos, las moléculas de ARNm migraron a través de TNT que conectan las diferentes células.
"Realmente pude ver que el ARNm se encuentra en los nanotubos de membrana, y que si inhibo la formación de nanotubos de membrana... derogo la transferencia de ARN", dijo.
Para entender si las células regulan activamente estas transferencias, Haimovich las desafió con choque térmico y estrés oxidativo.
Si los cambios en las condiciones ambientales cambiaban la velocidad de transferencia de ARN, eso
"sugeriría que este es un mecanismo regulado biológicamente, no solo la difusión del ARN por casualidad", explicó.
Descubrió que el estrés oxidativo inducía un aumento en la tasa de transferencia, mientras que el choque térmico inducía una disminución.
Además, este efecto se observó si el estrés se infligió a las células aceptoras, pero no si también se infligió a las células del donante antes del co-cultivo, Haimovich aclaró por correo electrónico.
"Esto sugiere que las células aceptoras envían señales a las células donantes" solicitando "ARNm de sus vecinos", dijo.
TNTs en el Cáncer
Las células cancerosas a menudo se estresan: estas células que se dividen rápidamente sobreviven a la hipoxia, el estrés nutricional, al estrés oxidativo y más.
Entonces, no es sorprendente que ellos, al igual que las células estresadas de Haimovich, inducen TNT. De hecho, la investigación de Lou muestra que las células que causan varios tipos de cáncer forman entre cinco y 100 veces más TNT que las células adultas sanas normales.
Frank Winkler, un neurólogo, oncólogo e investigador del cáncer de la Universidad de Heidelberg, descubrió que los cánceres cerebrales llamados gliomas están llenos de microtubos tumorales (primos más grandes de TNT).
Había notado estas estructuras mientras veía células tumorales individuales crecer en los cerebros de ratones vivos, pero no había reconocido su significado. El patólogo con el que colaboró los atribuyó a defectos en la preparación de los especímenes.
Hasta que Winkler y el patólogo no vieron estos diminutos tubos en las células vivas, no se dieron cuenta de que las estructuras eran reales.
"Sabiendo qué buscar... vimos que es una característica sorprendente de estos tumores", dijo Winkler. "Pero necesitas saber qué buscar para dar sentido a lo que estás viendo".
Winkler notó que cuando aplicaba quimioterapia o radiación a los tumores de los pacientes, las células cancerígenas aisladas morían, pero las conectadas entre sí a través de microtubos y TNT tumorales sobrevivían.
Las células en red, dijo,
"son la columna vertebral resistente de la enfermedad".
Minúsculas Cuerdas tubulares de vida
Los investigadores han descubierto una nueva forma de comunicación intercelular que involucra el hacer túneles de nanotubos (TNTs) y microtubos. Las células pueden utilizar éstos como conductos por donar moléculas y organelos para ayudar a sostener a sus vecinos enfermos.
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Célula enferma (rojo) libera una señal química como señal de socorro
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Las células cercanas amplían tubos huecos que forman puentes para enviar los recursos necesarios.
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CARGA DE CURACIÓN:
Lysosomes
Mitochondria
Proteins
MicroRNAs
Messenger RNAs
Lisosomas
mitocondrias
proteínas
MicroArns
ARNs mensajeros
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Lucy Reading-Ikkanda
Quanta Magazine
Utilizando la teoría de redes, él y su equipo ahora están trabajando para decodificar los patrones de comunicación entre las células cancerosas vinculadas.
Su hipótesis de trabajo es que existe una jerarquía de comunicación, y que ciertas células, posiblemente las que tienen propiedades de desarrollo potentes como las de las células madre, actúan como "cerebros" de la red.
Pueden instruir a otras células sobre cómo comportarse e impulsar tanto la progresión del crecimiento tumoral como su resistencia a las terapias.
Winkler también descubrió que las células tumorales del glioma forman conexiones con las células sanas vecinas, lo que abre al menos la posibilidad de algún tipo de comunicación bidireccional con los tejidos del cerebro.
Michelle Monje, oncóloga pediátrica de la Universidad de Stanford, ha demostrado que la actividad cerebral impulsa la progresión tumoral en los gliomas, y Winkler sospecha que los microtubos tumorales y los TNT podrían desempeñar un papel en eso.
"El tumor influye en el cerebro y el cerebro influye en el tumor", dijo Winkler. "Este es un nivel de complejidad que es casi aterrador".
Pero la buena noticia es que estos micro y nanotubos también representan un objetivo terapéutico completamente nuevo, dijo Winkler.
"Espero que encontremos algo mejor, donde desarrollemos nuevas estrategias terapéuticas. Esta es una de mis grandes esperanzas, además de comprender toda esta loca biología ".
Un enfoque es tratar de desarrollar medicamentos que inhiban la formación de micro y nanotubos para hacer que los cánceres sean más susceptibles a la quimioterapia y la radioterapia.
Con ese fin, Winkler actualmente está trabajando para caracterizar la diversidad en tamaño y función de estos pequeños tubos.
Otra estrategia es explotar la red tubular para diseminar drogas:
Al observar un campo rebosante de oportunidades, el gigante farmacéutico GlaxoSmithKline convocó a una reunión de expertos de TNT en septiembre de 2016 para explorar las funciones de los TNT y cómo podrían ser alterados o aprovechados para aplicaciones terapéuticas.
Una nueva bolsa de trucos para células inmunes
Los TNT también juegan un papel importante en el sistema inmune.
Su función incluye células dendríticas, que RobbieMailliard, un inmunólogo de la Universidad de Pittsburgh, llama,
"quarterback del sistema inmune".
Las células dendríticas se conectan entre sí a través de TNT en un proceso llamado reticulación.
"Las células dendríticas hacen esto de una manera tan rápida y dramática cuando se reticulan. Es como un grupo de pequeños hombres araña que están disparando estas redes", dijo Mailliard.
"Gastan muchísima energía en un período de tiempo muy corto para hacer estas conexiones, así que creo que sirven para algún tipo de propósito importante" en la respuesta inmune.
La inhibición de los TNT parece inhibir la propagación del VIH, dijo Mailliard.
Además, los investigadores encontraron que aquellas personas extremadamente raras infectadas con VIH que son capaces de controlar el virus sin ninguna terapia antirretroviral (los llamados "no progresores a largo plazo") tienen un defecto en la capacidad de sus células dendríticas para formar TNT.
Esto parece ser un rasgo genético relacionado con sus niveles de colesterol celular. Ahora los investigadores están investigando si los medicamentos que se usan comúnmente para reducir los niveles de colesterol podrían reutilizarse para controlar las infecciones virales al limitar la reticulación.
El VIH no es la única infección que aprovecha la capacidad de las células dendríticas para formar TNT.
Los priones (que se adquieren, por ejemplo, al comer carne de una vaca con la enfermedad de las vacas locas) y otras proteínas mal plegadas también secuestran estas redes de comunicación celular, explicó Zurzolo.
Las proteínas mal plegadas que se agregan en el cerebro y catalizan la conversión de proteínas sanas en células mal plegadas son una causa importante de enfermedad neurodegenerativa.
Los ejemplos de estas proteínas mal plegadas incluyen tau, alfa-sinucleína y huntingtina, que son fundamentales para el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington, respectivamente.
Hasta hace unos años, no estaba claro cómo estas proteínas infecciosas se propagaban de una célula a otra, dado que, a diferencia de los virus o las bacterias, las proteínas mal plegadas no tienen una forma obvia de moverse.
Chiara Zurzolo
ha demostrado que las células infectadas con priones
usan nanotubos de tunelización
para transferir las partículas infecciosas.
Institut Pasteur
Zurzolo estaba estudiando priones en el Instituto Pasteur en 2004 cuando el grupo de Hans-Hermann Gerdes publicó su artículo.
Otro documento (Cutting Edge - Membrane Nanotubes Connect Immune Cells) publicado poco después por investigadores del Imperial College de Londres demostró que las células del sistema inmune podrían conectarse a través de TNT, y esto la llevó a investigar si los priones se podrían diseminar de esta manera.
Este fue el comienzo de la idea de que la enfermedad causada por los priones podría propagarse entre las células a través de TNT, dijo.
Las células dendríticas adquieren el prión del intestino, que patrullan constantemente buscando infección, dijo Zurzolo.
Luego, las células dendríticas móviles circulan por el cuerpo y diseminan el prión a través de TNT al bazo y a los ganglios linfáticos (que son órganos del sistema inmune) y a los nervios periféricos. Una vez en el sistema nervioso, el prión pasa fácilmente de una neurona a otra a través de TNT y llega al cerebro.
Descubriendo cómo las proteínas mal plegadas se mueven entre las células,
"fue realmente un gran avance", dijo Zurzolo.
En la última década, ella ha demostrado que las proteínas mal plegadas que participan en el Alzheimer y la enfermedad de Parkinson también se transmiten de neurona a neurona a través de TNT.
"Lo que creemos es que, si tratamos de detener la difusión de estas proteínas matando los TNT entre las células, podríamos curar algunas de estas enfermedades", dijo.
Aun así, se debe alcanzar un equilibrio, porque las células gliales soportan las neuronas al comunicarse con ellas a través de TNT, explicó Rustom. El bloqueo de los TNT también podría interferir con la fisiología normal del cerebro.
Zurzolo también ha refinado sus ideas sobre cómo y por qué se forman los TNT.
"Nuestra hipótesis general es que cuando una célula está en peligro o muere o está estresada, la célula intenta implementar una forma de comunicación que normalmente se usa durante el desarrollo, porque creemos que estos TNT son más para la comunicación rápida en un organismo en desarrollo," ella dijo.
"Sin embargo, cuando la célula se ve afectada por una enfermedad o infectada por un virus o prión, la célula está estresada y envía estas protuberancias para tratar de obtener ayuda de las células que gozan de buena salud o para descargar los priones".
Dado el papel de los TNT en la propagación del cáncer, el VIH y las enfermedades neurodegenerativas, no sorprende que los investigadores y las compañías farmacéuticas estén interesados en encontrar formas de perturbarlos.
Pero, ¿y si estas estructuras también pudieran aprovecharse con fines terapéuticos?
Roles inesperados en medicina regenerativa
Después de un ataque cardíaco, cuando las células del músculo cardíaco se lesionan por la falta de oxígeno, sus mitocondrias dañadas liberan moléculas llamadas especies de oxígeno reactivas.
Estas moléculas son una alarma para las cercanas células madre mesenquimales, que comienzan a producir más mitocondrias y dirigen los TNT hacia sus vecinos enfermos.
Las células madre luego donan mitocondrias de reemplazo sanas a través de las conexiones TNT. De esta manera, explicó Rodríguez, las células madre son sensores y rescatadores de tejido lesionado.
Stephanie Cherqui, una investigadora de medicina regenerativa y células madre de la Universidad de California en San Diego, descubrió fortuitamente un papel clave para los TNT en los tratamientos que está desarrollando para la cistinosis, una enfermedad rara causada por un único gen defectuoso.
El defecto causa que el aminoácido cistina se acumule a niveles tóxicos en los tejidos de todo el cuerpo, causando un daño particular a los riñones.
La estrategia de Cherqui para tratar la enfermedad, que está desarrollando en modelos de ratón, es extraer células madre hematopoyéticas (productoras de sangre) de los huesos e insertar una copia funcional del gen defectuoso en ellas.
Luego puede limpiar la médula ósea de sus células madre originales con quimioterapia e introducir las células madre diseñadas para que puedan restablecerse.
"Mis compañeros eran escépticos de que las células madre de la médula ósea harían cualquier cosa por la lesión del tejido", dijo Cherqui.
"También estuve muy sorprendido de ver que las células madre sanguíneas podrían reparar la lesión tisular por el resto de la vida de un modelo de ratón para la cistinosis".
Yo realmente creo
que estas protuberancias citoplásmicas
sean clave en la salud
y estados de enfermedad de los humanos.
Stephanie Cherqui
¿Cómo rescataron al ratón las células madre diseñadas?
Primero, se diferenciaron en células inmunitarias llamadas macrófagos y viajaron a los tejidos del riñón lesionado. Una vez allí, los macrófagos formaron TNT con células lesionadas y transfirieron lisosomas (pequeños paquetes llenos de enzimas saludables) a las células enfermas, explicó Cherqui.
Las células enfermas también enviaron sus lisosomas defectuosos a los macrófagos a través de los mismos canales.
"Este es un nuevo mecanismo de acción que hemos mostrado, y ahora creemos que podemos aplicar este tipo de tratamiento a más enfermedades de lo que pensamos", dijo Cherqui.
Ella está usando un enfoque similar para tratar una enfermedad mitocondrial llamada ataxia de Friedreich.
"Nos sorprendió mucho ver que podíamos rescatar por completo el modelo de ratón" de la condición, dijo.
En estudios preliminares de cultivo celular, ella demostró que las células madre terapéuticas, modificadas genéticamente, pueden convertirse en macrófagos que entregan mitocondrias sanas a través de TNT.
Ella ahora está estudiando el proceso en los tejidos, incluidos el cerebro, el corazón y el músculo.
"Es sorprendente lo rápido que avanza la investigación y cuánto sabemos sobre la cantidad de aspectos diferentes de la salud o la enfermedad en que están involucrados estos TNT ahora", dijo Cherqui.
"Realmente creo que estas protuberancias citoplásmicas son clave en la salud y el estado de enfermedad de los humanos".
Una función fundamental
Si bien muchos científicos están entusiasmados con los TNT y sus perspectivas para iluminar muchos aspectos de la salud y la enfermedad, otros siguen siendo escépticos porque gran parte de la biología fundamental de los TNT no se comprende por completo.
Los investigadores que trabajan en ellos coinciden en que existe una necesidad urgente de comprender las vías de señalización celular que desencadenan la formación de estos pequeños tubos, identificar biomarcadores que podrían usarse para etiquetarlos de forma más clara y caracterizar la diversidad estructural y funcional de nano y microtubos.
"Necesitamos buenos biólogos celulares para estudiar todos los subtipos. No tenemos ni idea en este momento si la maquinaria molecular es realmente similar", dijo Winkler.
"Todavía hay mucho por aprender".
Zurzolo acepta que se necesitarán demostraciones científicas rigurosas de lo que son estas estructuras y lo que hacen para avanzar en el campo.
Sin embargo, ella está convencida de que los TNT son importantes.
"Estoy segura de que ellos (los TNT) tendrán muchas funciones y estarán implicados en muchas enfermedades, porque al final, es una comunicación de célula a célula", dijo.
"Esta es una función fundamental de una célula".
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