La presencia de este artículo en el blog sirve de disculpa para hablar de Michael Levin y de los avances que se están logrando en el campo de la bioelectricidad no reuronal, el conocimiento del desarrollo, formación de tejidos, y la regeneración de órganos y miembros. Si la comprensión del artículo y su descripción se hace difícil (a mi me sucede), pasa directamente al vídeo final; es apasionante lo que se está gestando en el conocimiento de la bioelectricidad y la comunicación celular.
Descarga: 10.1016/j.copbio.2018.03.008
Revista: Current Opinion in Biotechnology
2022 Factor de impacto 8.288
Resumen:
Los avances en biomedicina y bioingeniería sintética requieren un control predictivo y racional sobre la estructura y función anatómicas. Los éxitos recientes en la manipulación de hardware celular y molecular no han sido igualados por el progreso en la comprensión del software de patrones implementado durante la embriogénesis y la regeneración. Un salto de capacidad fundamental está impulsando los cambios deseados en el crecimiento y la forma para abordar los defectos de nacimiento y las lesiones traumáticas. Aquí revisamos nuevas herramientas, resultados y avances conceptuales en un emocionante campo emergente: la señalización bioeléctrica no neuronal endógena, que permite a los colectivos celulares tomar decisiones globales e implementar la homeostasis de patrones a gran escala. Los circuitos eléctricos distribuidos espacialmente regulan la expresión génica, la morfogénesis de los órganos y el patrón axial de todo el cuerpo. La bioelectricidad del desarrollo facilita la interfaz con los puntos de control modulares a nivel de órganos que dirigen el patrón in vivo. Descifrar el código bioeléctrico permitirá un progreso transformador en bioingeniería y medicina regenerativa.
Cómo describe el autor, uno de los objetivos de la Biología es explicar la formación y el remodelamiento dinámico de las estructuras vivas. Y en el campo de la regeneración, los organismos que tienen dicha capacidad, requieren que el crecimiento se detenga cuando el tamaño y la morfología correcta han sido alcanzados. La Bioelectricidad del desarrollo permite entender cómo los grupos de células toman decisiones acerca de los patrones que regulan la embriogénesis y la regeneración. Los circuitos bioeléctricos regulan la expresión genética y el comportamiento celular, manteniendo los patrones espaciales de los tejidos.
Modulando la expresión de los canales iónicos que regulan la bioelectricidad, de forma farmacológica, se puede controlar la inervación de tejidos transplantados y el comportamiento celular en la curación de heridas.
El trabajo realizado con planarias (Un tipo de gusano plano con una capacidad infinita de regeneración) revela que el código bioeléctrico puede modularse y esa modulación puede trasmitirse a las siguientes generaciones sin haber alterado el código genético. La planaria puede seccionarse en múltiples porciones a partir de las cuales se generan individuos completos idénticos al original. La memoria de cómo debe regenerarse todo el organismo, incluido en Sistema Nervioso Central, es almacenada en cada una de las secciones como comentamos en un post anterior. Ahora el autor va un paso más allá, revelando que el código bioeléctrico dicta cuantas cabezas tendrá el animal regenerado después de la sección. Los descendientes de estas planarias modificadas (con 2 cabezas) heredaran la nueva morfología y nuevamente seccionadas, reproducirán individuos con 2 cabezas. Este patrón de memoria codificado en circuitos bioeléctricos somáticos puede ser editado y reescrito sin modificar la secuencia genómica.
Los datos que se derivan de los trabajos con células madre, curación de heridas y la edición de patrones tisulares morfológicos suguieren nuevas estrategias en la medicina regenerativa. Lor fármacos moduladores de los canales iónicos ya están también en el mercado (antiepilépticos, antiarrítmicos, etc.) y pueden ser reformulados y posicionados como coordinadores del comportamiento celular en regeneración, reparación de malformaciones y reprogramación tumoral.
El valor de estos avances en el conocimiento de la Bioelectricidad radica en el reconocimiento de una parte de la Medicina, marginal frente al paradigma molecular. La Bioelectricidad no neuronal apenas se reconocía y se dejaba toda la organización morfológica, el desarrollo embrionario y la reparación de tejidos en base a la codificación molecular de los genes. Pero es imposible observar únicamente el genoma de un animal y predecir qué forma o tamaño tendrá. “Podemos decir que este gen produce esa proteína, pero para comprender la forma de una cabeza o el tamaño de un animal… hay muy poca comprensión de cómo surge o se controla la forma a gran escala“, dice Levin. Para él, las respuestas podrían estar en las señales bioeléctricas.
Los investigadores están de acuerdo en que las corrientes bioeléctricas son esenciales para la función nerviosa y muscular. Pero hay menos certeza de lo que hacen en otros tejidos. Algunas de las primeras evidencias provinieron de estudios de embriones en crecimiento. En 2002, el laboratorio de Levin demostró que en un renacuajo en desarrollo, un flujo de iones de hidrógeno y potasio ayudó a establecer los lados izquierdo y derecho, y la línea de simetría del animal, así como a colocar correctamente la cabeza y la cola. La interrupción de este flujo aleatorizó el eje del cuerpo y cambió las ubicaciones del corazón, el estómago y otros órganos.
Un embrión de rana, con una tinción que muestra los patrones bioeléctricos
El laboratorio de Levin comenzó sus estudios utilizando tintes fluorescentes sensibles al voltaje para ver cómo los gradientes eléctricos controlaban el desarrollo en embriones de rana y pollo. Los investigadores generalmente utilizan electrodos para tales experimentos, ya sea a través de un agujero perforado a través de la membrana de una célula o midiendo a su alrededor. Pero esas pruebas son más invasivas y solo pueden sondear unas pocas células a la vez, no proporcionan un mapa de todo el animal. Usar los tintes “fue increíble, porque pudimos ver por primera vez en un animal vivo cómo los gradientes de voltaje determinaban qué lado era izquierdo o derecho, dónde iba la cabeza, dónde iba la cola”, recuerda Levin.
En la regeneración de las colas de los renacuajos, las sustancias químicas que contienen oxígeno y que guían a las células para reparar las heridas, también ayudan a generar electricidad, y las señales eléctricas desencadenan la producción de estas sustancias químicas. Es necesario por tanto, aunar la visión eléctrica y molecular.
Queda todavía un largo recorrido hasta establecer el papel definitivo de la bioelectricidad (y sus campos magnéticos asociados) en la comunicación celular, la expresión genética, el desarrollo y la reparación de heridas.
