Una nueva técnica puede medir el proceso metabólico a nivel unicelular



Comprender el metabolismo celular, cómo una célula usa la energía, podría ser clave para tratar una amplia gama de enfermedades, incluidas las enfermedades vasculares y el cáncer.

Si bien muchas técnicas pueden medir estos procesos entre decenas de miles de células, los investigadores no han podido medirlos a nivel de una sola célula.

Investigadores de la División de Ingeniería Molecular y Ciencias Biológicas de la Escuela Pritzker de la Universidad de Chicago han desarrollado una técnica combinada de imágenes y aprendizaje automático que puede, por primera vez, medir un proceso metabólico tanto a nivel celular como subcelular.

Usando un biosensor codificado genéticamente combinado con inteligencia artificial, los investigadores pudieron medir la glucólisis, el proceso de convertir la glucosa en energía, de células endoteliales individuales, las células que recubren los vasos sanguíneos.

Descubrieron que cuando estas células se mueven y contraen, usan más glucosa y también encontraron que las células absorben glucosa a través de un receptor previamente desconocido. Comprender este proceso podría conducir a mejores tratamientos para el cáncer y las enfermedades vasculares, incluido COVID-19.

La investigación, publicada en Metabolismo de la naturaleza, fue dirigido por Assoc. Prof. Yun Fang y codirigido por Asst. Prof. Jun Huang, con ex becario postdoctoral y ahora asistente. El profesor David Wu y el estudiante de posgrado en ciencias biofísicas Devin Harrison.

Comprender el metabolismo celular es de importancia universal. Al medir el metabolismo unicelular, tenemos potencialmente una nueva forma de tratar una amplia gama de enfermedades “.

Asistente Prof. Jun Huang

“Esta es la primera vez que podemos visualizar el metabolismo celular en diferentes escalas temporales y espaciales, incluso a nivel subcelular, lo que podría cambiar fundamentalmente el lenguaje y el enfoque de los investigadores para estudiar el metabolismo celular”, dijo Fang.

Midiendo la glucólisis

Las células endoteliales normalmente proporcionan una capa apretada dentro de los vasos sanguíneos, pero pueden contraerse, dejando espacios dentro de esta capa, cuando necesitan ayuda del sistema inmunológico. La contracción anormal puede causar vasos sanguíneos con fugas, lo que lleva a un ataque cardíaco o un derrame cerebral. Dicha contracción en los vasos sanguíneos alrededor de los pulmones también puede hacer que se filtre líquido, lo que ocurre en el caso del síndrome de dificultad respiratoria aguda. (Esto ocurre a menudo en pacientes con casos graves de COVID-19).

Para comprender mejor cómo las células metabolizan la energía para alimentar esta contracción, los investigadores recurrieron a los sensores de transferencia de energía por resonancia de Förster, biosensores codificados genéticamente que pueden medir la cantidad de lactato dentro de las células. El lactato es un subproducto de la glucólisis.

Aunque los investigadores no crearon los sensores, al emparejarlos con algoritmos de aprendizaje automático, crearon una técnica aún más poderosa que les permitió obtener imágenes de células, analizar los datos y analizar las reacciones de glucólisis a nivel celular y subcelular.

“Ahora podemos observar y comprender los detalles dentro de las células, como ciertas áreas de las células donde hay un aumento de la glucólisis”, dijo Fang. “Esta es una innovación tecnológica clave”.

Pudieron medir la cantidad de glucosa que usaban las células cuando se contraían y se movían, y también encontraron un nuevo mecanismo de transporte de glucosa mediado por el citoesqueleto celular, un receptor llamado GLUT3, que estas células usan para absorber glucosa.

Creando nuevos tratamientos

Comprender cómo funciona la glucólisis a nivel celular podría, en última instancia, conducir a tratamientos que inhiban este proceso cuando sean beneficiosos, en el caso de vasos sanguíneos con fugas en pacientes con aterosclerosis, por ejemplo. También podría ayudar a los pacientes cuyos sistemas inmunológicos están reaccionando de forma exagerada al COVID-19, por ejemplo, y necesitan ayuda para cerrar las brechas dentro de sus células endoteliales alrededor de sus pulmones.

“Si podemos encontrar una manera de inhibir la contracción, podríamos disminuir el síndrome de dificultad respiratoria aguda en los pacientes con COVID-19”, dijo Fang.

También tiene importantes implicaciones en el tratamiento del cáncer. La migración y proliferación endotelial, impulsadas por la glucólisis, son procesos celulares importantes involucrados en el crecimiento vascular, que es necesario para la supervivencia y el crecimiento del tumor. Comprender cómo funciona esto podría ayudar a los investigadores a destruir tumores e inhibir su crecimiento.

También podría ser útil en CAR Célula T terapia, que recluta el propio sistema inmunológico del cuerpo para combatir los tumores. Si bien la terapia ha salvado la vida de algunos, muchos pacientes no responden a ella. Dado que las células endoteliales son importantes para permitir que las células T se infiltran en los tumores y el metabolismo celular es fundamental para las funciones de las células T, los investigadores creen que modular el metabolismo celular podría ayudar a crear un mejor sistema de inmunoterapia.

Los investigadores están probando actualmente dichos inhibidores para tratar el síndrome de dificultad respiratoria aguda inducido por COVID-19 en el Laboratorio Nacional de Argonne.

“¿Podemos finalmente reprogramar las células a través del metabolismo?” Dijo Huang. “Es una pregunta importante y necesitamos entender cómo funciona el metabolismo. Hay un gran potencial aquí, y este es solo el punto de partida”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Wu, D, et al. (2021) Las imágenes metabólicas unicelulares revelan un estallido glucolítico dependiente de SLC2A3 en las células endoteliales móviles. Metabolismo de la naturaleza. doi.org/10.1038/s42255-021-00390-y.

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