¿Sólido, líquido o gaseoso? Las «huellas digitales» visuales identifican rápidamente el estado físico de los tejidos cancerosos y los tumores

El método podría ser un camino hacia diagnósticos de cáncer más rápidos y menos invasivos.

A medida que un organismo crece, su sensación también cambia. En las primeras etapas, el embrión asume un estado casi fluido que permite que sus células se dividan y se expandan. A medida que madura, sus tejidos y órganos se reafirman en su forma final. En determinadas especies, este estado físico de un organismo puede ser un indicador de su estado de desarrollo e incluso del estado general de su salud.

Ahora, los investigadores de CON descubrió que la forma en que se organizan las células de un tejido puede servir como huella digital para la «fase» del tejido. Desarrollaron un método para decodificar imágenes de células en un tejido para determinar rápidamente si ese tejido se parece más a un sólido, líquido o incluso a un gas. Sus hallazgos se informaron recientemente en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

El equipo espera que su método, al que denominaron «huella digital configuracional», pueda ayudar a los científicos a rastrear los cambios físicos en un embrión a medida que se desarrolla. De manera más inmediata, están aplicando su método para estudiar y eventualmente diagnosticar un tipo específico de tejido: los tumores.

En el cáncer, hay evidencia que sugiere que, al igual que un embrión, el estado físico de un tumor puede indicar su etapa de crecimiento. Los tumores más sólidos pueden ser relativamente estables, mientras que los crecimientos más fluidos pueden tener más probabilidades de mutar y hacer metástasis.

Los investigadores del MIT están analizando imágenes de tumores, tanto cultivados en laboratorio como biopsiados de pacientes, para identificar huellas dactilares celulares que indiquen si un tumor es más sólido, líquido o gaseoso. Se imaginan que los médicos podrían algún día combinar una imagen de las células de un tumor con una huella celular para determinar rápidamente el estadio del tumor y, en última instancia, la progresión del cáncer.

“Nuestro método permitiría un diagnóstico muy fácil de estados cancerosos simplemente observando las posiciones de las células en una biopsia”, dice Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Esperamos que con solo observar dónde están las células, los médicos puedan saber directamente si un tumor es demasiado sólido, lo que significa que aún no puede hacer metástasis, o si es más fluido y el paciente está en 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 Northeastern University.

Orden triangular

En un sólido perfecto, los componentes individuales del material están dispuestos en una red ordenada, como los átomos en un cubo de cristal. Si cortas una rebanada del cristal y la colocas sobre una mesa, verás que los átomos están dispuestos de modo que puedas conectarlos en un patrón de triángulos repetidos. En un sólido perfecto, dado que el espacio entre los átomos sería exactamente el mismo, los triángulos que los conectan serían típicamente equiláteros.

Guo tomó esta construcción como modelo para una estructura perfectamente sólida, con la idea de que podría servir como referencia para comparar configuraciones celulares de tumores y tejidos reales, no perfectamente sólidos.

“Las telas reales nunca están perfectamente ordenadas”, dice Guo. “En su mayoría están desordenados. Aun así, existen diferencias sutiles en lo desordenadas que son «.

Siguiendo esta idea, el equipo comenzó con imágenes de varios tipos de tejido y utilizó software para mapear las conexiones triangulares entre las células de un tejido. En contraste con los triángulos equiláteros en un sólido perfecto, los mapas producían triángulos de varias formas y tamaños, indicando celdas con un rango de orden espacial (y desorden).

Para cada triángulo de una imagen, midieron dos parámetros principales: el orden volumétrico o el espacio dentro de un triángulo; y orden de corte, o la distancia entre una forma de triángulo y una forma equilátera. El primer parámetro indica la fluctuación en la densidad del material, mientras que el segundo ilustra cuán propenso es el material a deformarse. Descubrieron que estos dos parámetros eran suficientes para caracterizar si un tejido se parecía más a un sólido, líquido o 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 digitales”, explica Guo.

zarcillos de vapor

El equipo probó su nueva técnica de impresión digital en varios escenarios diferentes. La primera fue una simulación en la que modelaron la mezcla de dos tipos de moléculas, cuya concentración fue aumentando gradualmente. Para cada concentración, mapearon las moléculas en triángulos y midieron los dos parámetros en cada triángulo. A partir de estas mediciones, caracterizaron la fase de las moléculas y pudieron reproducir las transiciones entre gas, líquido y sólido, lo que se esperaba.

«La gente sabe qué esperar de este sistema tan simple y eso es exactamente lo que vemos», dice Guo. «Esto demostró la capacidad de nuestro método».

Luego, los investigadores aplicaron su método a sistemas con células en lugar de moléculas. Por ejemplo, vieron videos, tomados por otros investigadores, de un ala de mosca de la fruta creciendo. Aplicando su método, pudieron identificar regiones en el ala en desarrollo que cambiaron de un estado sólido a uno más fluido.

«Como fluido, esto puede ayudar con el crecimiento», dice Guo. «Exactamente cómo sucede esto todavía está bajo investigación».

Él y su equipo también desarrollaron pequeños tumores en células del tejido mamario humano y observaron cómo los tumores crecían como zarcillos como apéndices, signos de metástasis temprana. Cuando mapearon la configuración de las células en los tumores, encontraron que los tumores no invasivos se parecían a algo entre un sólido y un líquido, y los tumores invasivos eran más gaseosos, mientras que los zarcillos mostraban un estado aún más desordenado.

“Los tumores invasivos eran más como vapor y quieren extenderse e ir a cualquier parte”, dice Guo. “Los líquidos apenas se pueden comprimir. Pero los gases son comprimibles, pueden hincharse y encogerse fácilmente, y eso es lo que vemos aquí. «

El equipo está trabajando con muestras de biopsias de cáncer humano, que están viendo y analizando para mejorar sus huellas dactilares celulares. Finalmente, Guo imagina que el mapeo de las fases de los tejidos puede ser una forma rápida y menos invasiva de diagnosticar varios tipos de cáncer.

“Los médicos generalmente necesitan tomar biopsias y luego teñir para diferentes marcadores, dependiendo del tipo de cáncer, para diagnosticar”, dice Guo. «Quizás algún día podamos usar herramientas ópticas para mirar dentro del cuerpo, sin tocar al paciente, para ver la posición de las células y decir directamente en qué etapa del cáncer se encuentra el paciente»

Referencia: «Huellas dactilares configuracionales de sistemas vivos multicelulares» por Haiqian Yang, Adrian F. Pegoraro, Yulong Han, Wenhui Tang, Rohan Abeyaratne, Dapeng Bi y Ming Guo, 25 de octubre de 2021, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2109168118

Esta investigación fue apoyada en parte por los Institutos Nacionales de Salud, MathWorks y el MIT Jeptha H. y Emily V. Wade Award.