Una nueva técnica, conocida como «huella configuracional», podría ayudar algún día a los científicos a comprender la volatilidad de los tumores y su potencial para volverse cancerosos.
La técnica consiste en comprender la forma de las células —sólidas, líquidas o gaseosas— y cómo pueden propagarse y mutar.
Los tumores más sólidos pueden ser relativamente estables, mientras que los crecimientos más fluidos podrían tener mayor propensión a mutar y metastatizar.
A medida que un organismo crece, también cambia su consistencia. En las etapas iniciales, el embrión adopta un estado casi fluido que permite que sus células se dividan y expandan. Al madurar, sus tejidos y órganos se consolidan hasta alcanzar su forma definitiva. En ciertas especies, este estado físico de un organismo puede indicar su etapa de desarrollo e incluso el estado general de su salud.
Ahora, investigadores del MIT han descubierto que la forma en que están dispuestas las células de un tejido puede servir como huella de su «fase». Han desarrollado un método para descodificar imágenes de células en un tejido y determinar rápidamente si este se parece más a un sólido, un líquido o incluso un gas. Sus hallazgos se publican esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences.
El equipo espera que su método, al que han llamado «huella configuracional», ayude a los científicos a seguir los cambios físicos de un embrión durante su desarrollo. De forma más inmediata, están aplicando el método al estudio y, con el tiempo, al diagnóstico de un tipo específico de tejido: los tumores.
En el cáncer, hay indicios de que, al igual que en un embrión, el estado físico de un tumor puede señalar su etapa de crecimiento. Los tumores más sólidos pueden ser relativamente estables, mientras que los crecimientos más fluidos podrían tener mayor propensión a mutar y metastatizar.
Los investigadores del MIT están analizando imágenes de tumores cultivados en el laboratorio y obtenidos mediante biopsias de pacientes para identificar huellas celulares que indiquen si un tumor se parece más a un sólido, un líquido o un gas. Prevén que algún día los médicos puedan comparar la imagen de las células de un tumor con una huella celular para determinar rápidamente su fase y, en última instancia, la progresión del cáncer.
«Nuestro método permitiría diagnosticar los estados del cáncer con mucha facilidad, simplemente examinando la posición de las células en una biopsia», afirma Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT. «Esperamos que, con solo observar dónde están las células, los médicos puedan determinar directamente si un tumor es muy sólido —lo que significa que aún no puede metastatizar— o si es más fluido y el paciente corre peligro».
Los coautores de Guo son Haiqian Yang, Yulong Han, Wenhui Tang y Rohan Abeyaratne, del MIT; Adrian Pegoraro, de la Universidad de Ottawa; y Dapeng Bi, de la Universidad Northeastern.
Orden triangular
En un sólido perfecto, los componentes individuales del material se disponen en una retícula ordenada, como los átomos en un cristal cúbico. Si se cortara una lámina del cristal y se pusiera sobre una mesa, se vería que los átomos están dispuestos de tal forma que se pueden unir siguiendo un patrón de triángulos repetidos. En un sólido perfecto, como la distancia entre los átomos sería exactamente la misma, los triángulos que los conectan normalmente serían equiláteros.
Guo tomó esta estructura como modelo de una estructura perfectamente sólida, con la idea de que sirviera de referencia para comparar la configuración celular de tejidos y tumores reales, menos que perfectamente sólidos.
«Los tejidos reales nunca están perfectamente ordenados», afirma Guo. «En su mayoría están desordenados. Aun así, hay diferencias sutiles en el grado de desorden».
Siguiendo esta idea, el equipo partió de imágenes de diversos tipos de tejidos y utilizó un programa informático para trazar conexiones triangulares entre las células de cada tejido. A diferencia de los triángulos equiláteros de un sólido perfecto, los mapas generaron triángulos de formas y tamaños variados, lo que indicaba distintos grados de orden espacial (y desorden) celular.
Para cada triángulo de una imagen, midieron dos parámetros clave: el orden volumétrico, es decir, el espacio dentro de un triángulo, y el orden de cizallamiento, es decir, cuánto se aleja la forma de un triángulo de la de un triángulo equilátero. El primer parámetro indica las fluctuaciones de densidad de un material, mientras que el segundo muestra su propensión a deformarse. Según descubrieron, estos dos parámetros bastaban para caracterizar si un tejido se parecía más a un sólido, un líquido o un gas.
«Calculamos directamente el valor exacto de ambos parámetros en comparación con los de un sólido perfecto y usamos esos valores exactos como nuestras huellas», explica Guo.
Zarcillos de vapor
El equipo puso a prueba su nueva técnica de huellas en varios escenarios distintos. El primero fue una simulación en la que modelaron la mezcla de dos tipos de moléculas y aumentaron gradualmente su concentración. Para cada concentración, trazaron triángulos entre las moléculas y midieron los dos parámetros de cada triángulo. A partir de esas mediciones, caracterizaron la fase de las moléculas y pudieron reproducir las transiciones previstas entre gas, líquido y sólido.
«La gente sabe qué esperar de este sistema muy sencillo, y esto es exactamente lo que observamos», afirma Guo. «Esto demostró la capacidad de nuestro método».
Después, los investigadores aplicaron su método a sistemas con células en lugar de moléculas. Por ejemplo, analizaron vídeos de un ala de mosca de la fruta en crecimiento, grabados por otros investigadores. Al aplicar el método, pudieron identificar regiones del ala en desarrollo que pasaban de un estado sólido a otro más fluido.
«En estado fluido, esto podría favorecer el crecimiento», afirma Guo. «Aún se está investigando cómo ocurre exactamente».
Él y su equipo también cultivaron pequeños tumores a partir de células de tejido mamario humano y observaron cómo desarrollaban zarcillos similares a apéndices, indicios de metástasis temprana. Al trazar la configuración de las células de los tumores, descubrieron que los tumores no invasivos se parecían a algo intermedio entre un sólido y un líquido, mientras que los invasivos eran más parecidos a un gas; los zarcillos mostraban un estado aún más desordenado.
«Los tumores invasivos se parecían más al vapor y tienden a expandirse y llegar a todas partes», afirma Guo. «Los líquidos apenas se pueden comprimir. En cambio, los gases sí: pueden expandirse y contraerse con facilidad, y eso es lo que vemos aquí».
El equipo trabaja con muestras de biopsias de cáncer humano, que obtiene mediante imágenes y analiza para perfeccionar sus huellas celulares. Guo prevé que, con el tiempo, trazar las fases de un tejido pueda ofrecer una forma rápida y menos invasiva de diagnosticar varios tipos de cáncer.
«Por lo general, los médicos tienen que tomar biopsias y luego teñirlas para detectar distintos marcadores, según el tipo de cáncer, a fin de diagnosticarlo», afirma Guo. «Quizá algún día podamos usar herramientas ópticas para observar el interior del cuerpo, sin tocar al paciente, ver la posición de las células y determinar directamente en qué etapa del cáncer se encuentra»
Esta investigación recibió apoyo parcial de los National Institutes of Health, MathWorks y el premio Jeptha H. and Emily V. Wade del MIT.
