Haciendo transparente el crecimiento óseo
Orientación 3D de las células del cartílago en la placa de crecimiento de la espinilla de un ratón, vistas con MAP 3D. En el hueso sano (izquierda), la mayoría de las células están alineadas aproximadamente en la misma dirección (rojo o naranja); en el hueso de un mutante Gdf5 (derecha), una desviación de 90 grados (azul) es más común. Crédito: Instituto Weizmann de Ciencias
A medida que nuestros cuerpos crecen durante la niñez y la pubertad, nuestra estatura final y la forma de nuestro esqueleto están determinadas en gran medida por las placas de crecimientoáreas de nuevo crecimiento en ambos extremos de los huesos largos, como los de los brazos , piernas, manos y pies. Estas áreas se expanden, y el cartílago del que están hechas se endurece gradualmente hasta convertirse en tejido sólido, agregando longitud y anchura a los huesos. Investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann han desarrollado un método que permite examinar, por primera vez, la composición celular de las placas de crecimiento en tres dimensiones. El método ha permitido nuevos conocimientos sobre el crecimiento de huesos sanos y las formas en que este crecimiento puede verse interrumpido en el enanismo.
Hace casi un siglo, los científicos que estudiaban el crecimiento óseo ya habían hablado de la necesidad de centrarse en los cambios en las células del cartílago en ambos extremos de los huesos largos. Estas células crean una especie de plantilla que luego se reemplaza por tejido óseo mineralizado, y la desviación de la norma en estas células puede presagiar problemas futuros. «Si el cartílago es anormal, terminas con un hueso anormal; puede ser demasiado corto, demasiado largo o deformado», explica el Prof. Elazar Zelzer del Departamento de Genética Molecular, quien dirigió el equipo de investigación.
Todavía no estaba disponible una forma efectiva de rastrear los procesos que experimentan las células del cartílago dentro de la placa de crecimiento. Los métodos para examinar estas células proporcionaron imágenes en dos dimensiones, dando a los investigadores solo una imagen parcial del volumen y la disposición espacial de las células. Además, los métodos de alta resolución produjeron imágenes detalladas, pero solo de pequeñas porciones de la placa de crecimiento, por lo que no se veía la imagen completa.
La estudiante de doctorado Sarah Rubin en el laboratorio de Zelzer dirigió el nuevo estudio, en el que ella y los otros científicos crearon un método de varios pasos, MAP 3D, para explorar cientos de miles de células de cartílago en tres dimensiones. Primero, los científicos tratan el tejido de la placa de crecimiento con productos químicos que lo hacen transparente para que puedan obtener imágenes utilizando una técnica llamada microscopía de lámina de luz. Luego cortan las imágenes en segmentos y aplican una serie de algoritmos que caracterizan las celdas en cada sección transversal. Finalmente, vuelven a mapear las células en la imagen completa, obteniendo un mapa 3D de alta resolución de toda la placa de crecimiento que revela la forma y el tamaño de todas las células del cartílago, así como su orientación espacial y organización.
El método muestra, con un detalle sin precedentes, lo que sucede con las células dentro de la placa de crecimiento, y ya anuló una suposición previa sobre el crecimiento óseo. Se sabía que las células del cartílago que nacen en ambas puntas del hueso cambian continuamente, por lo que las «más viejas», es decir, las más cercanas a la mitad del hueso, se encuentran en la etapa final de transformación. En estudios anteriores, estas células «más antiguas» parecían casi diez veces más grandes que las de la etapa anterior. Pero cuando los científicos utilizaron MAP 3D para observar las placas de crecimiento de los ratones, descubrieron que este supuesto salto de tamaño había sido en realidad una ilusión resultante de las distorsiones de las imágenes bidimensionales. Más bien, el aumento en el tamaño de las células es relativamente gradual, y gran parte de él tiene lugar en la etapa próxima a la final de la transformación de las células.
En la placa de crecimiento de un hueso de la espinilla de un ratón sano (izquierda), las células del cartílago aumentar gradualmente de volumen, desde el más pequeño (azul), en la punta, hasta el más grande (rojo), más cerca de la mitad del hueso. En un mutante Gdf5 (derecha), se interrumpe este aumento gradual. Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann
Con mapas 3D, los científicos también lograron resolver dos acertijos de larga data relacionados con una forma de enanismo llamada síndrome Grebe, que es causada por una mutación en el gen Gdf5. Se sabía que este gen regulaba la formación de articulaciones, por lo que no estaba claro por qué su forma mutada hace que las personas nazcan con extremidades severamente acortadas y deformadas. Tampoco estaba claro por qué la placa de crecimiento que dio lugar a tales huesos anormales en personas con el síndrome parecía ser completamente normal en estudios anteriores.
Cuando los científicos aplicaron MAP 3D a los huesos de ratones transgénicos jóvenes al tener la mutación Gdf5, el método reveló toda una gama de anormalidades en la placa de crecimiento que no habían sido detectadas por estudios previos. Estas anormalidades sugirieron que además de su papel en la formación de articulaciones, el gen Gdf5 regula la transformación de las células del cartílago dentro de la placa de crecimiento. Cuando este gen fue mutado, las células del cartílago no aumentaron de tamaño en las etapas correctas, su forma era anormal y no estaban correctamente orientadas.
«Piense en canicas apretadas si altera su forma, no lo hará». No podré empaquetarlos en una caja de la misma manera que antes», dice Rubin. «Del mismo modo, las células de cartílago alteradas no se pueden organizar correctamente dentro de la placa de crecimiento y esto impide que el hueso se alargue normalmente».
El nuevo método proporciona un medio para explorar más a fondo los mecanismos celulares que operan dentro de la placa de crecimiento en hueso que está sano, así como en el afectado por diversas anomalías. También se puede usar para estudiar las influencias externas en el hueso, por ejemplo, cómo su crecimiento se ve afectado por la interacción con los músculos.
Zelzer dice que «la placa de crecimiento puede verse como un motor que impulsa el alargamiento del hueso Ahora hemos levantado el capó para observar de cerca cómo funciona este motor y qué sucede cuando se descompone».
La investigación se publicó en Nature Communications.
Explore más
El equipo alcanza un hito en su esfuerzo por tratar los trastornos óseos Más información: Sarah Rubin et al, Application of 3D MAPs pipeline identifica la secuencia morfológica a la que se someten los condrocitos y la función reguladora de GDF5 en este proceso, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25714-0 Información de la revista: Nature Communications
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Weizmann Cita: Haciendo transparente el crecimiento óseo (diciembre de 2021 17) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-12-bone-growth-transparent.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.