Un equipo construye el primer modelo digital de una célula cancerosa
2 de julio de 2021 | Historia original de la Universidad Tecnológica de Graz
Los modelos informáticos han sido herramientas estándar en la investigación biomédica básica durante muchos años. Sin embargo, alrededor de 70 años después de la primera publicación de un modelo de corrientes iónicas de una célula nerviosa por Hodgkin & Huxley en 1952, investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), en colaboración con la Universidad Médica de Graz y el Memorial Sloan Kettering Cancer Center de Nueva York, finalmente han tenido éxito en el desarrollo del primer modelo de células cancerosas del mundo. Así, lanzan “una herramienta esencial para la investigación moderna del cáncer y el desarrollo de fármacos”, informa Christian Baumgartner.
El director del Instituto de Ingeniería sanitaria con centro europeo de pruebas de dispositivos médicos en TU Graz es el autor principal de la publicación en la que se presenta el modelo digital en el journal PLoS Computational Biology.
Células excitables y no excitables
Hasta ahora, los modelos celulares digitales se han centrado en células excitables como las células nerviosas o musculares cardíacas, permitiendo la simulación de procesos electrofisiológicos no solo a nivel celular, sino también a nivel de tejidos y órganos. Estos modelos ya se están utilizando para apoyar el diagnóstico y la terapia en la práctica clínica diaria. El equipo de investigación internacional dirigido por Baumgartner se centró por primera vez en las propiedades electrofisiológicas específicas de las células cancerosas no excitables.
En las células excitables, un estímulo eléctrico desencadena los llamados potenciales de acción. Esto conduce a cambios a corto plazo en el potencial eléctrico que duran milisegundos en la membrana celular, transmitiendo información “eléctrica” de célula a célula. A través de este mecanismo, las redes neuronales se comunican o se activa el músculo cardíaco, que como resultado se contrae. Se sabe a partir de estudios experimentales que las células “no excitables” también exhiben fluctuaciones características de potencial en la membrana celular. “Sin embargo, en comparación con las células excitables, los cambios potenciales ocurren muy lentamente y durante todo el ciclo celular, es decir, durante horas y días, y sirven como una señal para la transición entre las fases individuales del ciclo celular", explica Christian Baumgartner. Junto con la subdirectora del instituto, Theresa Rienmüller, y la estudiante de doctorado Sonja Langthaler, Christian Baumgartner fue el primero en perseguir la idea de desarrollar un modelo de simulación de estos mecanismos.
El ejemplo del tumor pulmonar
Los cambios patológicos en voltaje de la membrana celular, particularmente durante el ciclo celular, son fundamentales para el desarrollo y la progresión del cáncer. Sonja Langthaler continúa detallando: “Los canales iónicos conectan el exterior con el interior de una célula. Permiten el intercambio de iones como potasio, calcio o sodio y, por lo tanto, regulan el potencial de membrana. Los cambios en la composición de los canales iónicos, así como la alteración del comportamiento funcional de los mismos, pueden resultar en interrupciones en la división celular, posiblemente incluso afectando la diferenciación celular y, por lo tanto, transformando una célula sana en una célula enferma (cancerígena)”.
Para su modelo digital de células cancerosas, el equipo eligió el ejemplo de la línea celular de adenocarcinoma de pulmón humano A549. El modelo informático simula la oscilación rítmica del potencial de membrana durante la transición entre las fases del ciclo celular y permite la predicción de los cambios en el potencial de membrana que son causados por el encendido y apagado inducido por fármacos de los canales iónicos seleccionados. “Así que obtenemos información sobre los efectos de las intervenciones dirigidas sobre la célula cancerosa”, añade Baumgartner.
“Congelar” las células cancerosas durante el crecimiento o inducirlas al suicidio
La actividad de ciertos canales iónicos también puede impulsar la división de las células enfermas y, por lo tanto, acelerar el crecimiento tumoral. Si los canales iónicos ahora se manipulan de una manera específica, como es el caso de los nuevos y prometedores agentes y fármacos, el voltaje de la membrana celular y, por lo tanto, de todo el sistema electrofisiológico, pueden ser arrojados fuera de la pista, por así decirlo. “Esto podría usarse para detener las células cancerosas en una determinada fase del ciclo celular, pero también para inducir la muerte celular programada (apoptosis). Uno podría ‘congelar’ las células cancerosas mientras están creciendo o inducirlas a suicidarse. Y son precisamente esos mecanismos los que se pueden simular con la ayuda de modelos”. Baumgartner y su equipo ven el primer modelo digital de células cancerosas como el comienzo de una investigación más integral. Con el fin de aumentar el nivel de detalle del modelo, se han realizado planes para nuevas validaciones experimentales y de medición y se han presentado al Fondo Científico Austriaco FWF para su financiación.
Referencia:
Langthaler S, Rienmüller T, Scheruebel S, et al. A549 in-silico 1.0: A first computational model to simulate cell cycle dependent ion current modulation in the human lung adenocarcinoma. PLoS Comput. Biol. 2021;17(6):e1009091. doi: 10.1371/journal.pcbi.1009091
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