Un nou studiu descifrează „codul țesuturilor” - doar cinci reguli modelează organele

Un grup de cercetători a propus un set de cinci reguli biologice fundamentale care ar putea constitui un „cod tisular” – un ansamblu de legi matematice capabile să explice cum este menținută fidel organizarea țesuturilor în organismele multicelulare. Studiul, realizat pe epiteliul colonic uman și publicat în jurnalul Biology of the Cell, explorează modele matematice discrete și continue pentru a simula organizarea celulară în timpul reînnoirii tisulare.
Deși este cunoscut faptul că țesuturile adulte se reînnoiesc continuu prin diviziunea celulară, nu era clar până acum cum se păstrează organizarea extrem de precisă a acestor țesuturi de-a lungul vieții. Modelele anterioare, bazate pe forțe mecanice, aderență, reacții de tip Turing sau semnale moleculare, au fost utile în explicarea morfogenezei embrionare, dar nu și menținerea organizării în țesuturile adulte, cum este epiteliul colonic.

Despre studiul actual

Obiectivul

Autorii și-au propus să descopere un set de reguli matematice care să explice organizarea dinamică și stabilă a celulelor în epiteliul colonic în timpul reînnoirii criptelor colice. Au fost dezvoltate modele discrete (bazate pe agenți) și continue (bazate pe ecuații diferențiale), care au fost testate prin simulări.

Metodologie

• Modelul discret: bazat pe diviziune celulară asimetrică, fiecare celulă matură generează o celulă imatură și una matură, iar direcția diviziunii se rotește la fiecare ciclu.
• Modelul bazat pe agenți: celulele urmează reguli temporale și spațiale, inclusiv perioada de maturare, rotație, durata de viață și timpul până la maturarea completă.
• Modelul continuu: folosește un sistem liniar de ecuații diferențiale pentru patru tipuri celulare: imature, mature, și două tipuri terminal diferentiate. Parametrii sunt calibrați după modelul discret.

Regulile propuse (Codul tisular):

• Temporizarea diviziunii celulare: fiecare celulă se divide la un interval constant.
• Ordinea temporală: celulele mature se divid constant, cele imature doar după o perioadă de maturare (c).
• Direcția spațială a diviziunii: direcția diviziunii se rotește cu un unghi fix la fiecare ciclu (legat de valoarea c).
• Numărul de diviziuni: determinat de timpul de maturare completă (nwm), în funcție de generația celulară.
• Durata de viață: celulele au o durată limitată de existență în țesut.

Modelarea criptelor colonice umane

Criptele au fost analizate histologic și imunohistochimic pentru markeri de celule stem (ALDH), iar modelarea computatională a fost calibrată pe baza acestor date. S-au obținut structuri 2D și 3D care simulează fidel organizarea celulelor în cripta colonică, inclusiv comportamentul de auto-reînnoire și generarea de celule mature terminale.

Rezultate

Modelul discret

Simulările arată că prin aplicarea celor cinci reguli:

• Structura celulară rămâne constantă deși celulele se divid și mor în permanență.
• Se generează automat modele ordonate, inclusiv rozetă celulară, care imită structurile histologice reale.
• Modelul reproduce secvențe Fibonacci în creșterea populațiilor celulare și a ramurilor celulare.

Modelul continuu

Modelul arată că:

• Două tipuri de celule proliferative (I și M) se pot regenera reciproc în cazul pierderii unuia dintre ele.
• Este necesară diferențierea pe două linii celulare pentru menținerea unui echilibru dinamic (stare de echilibru).
• Parametrii modelului (ratele de diviziune și diferențiere) se corelează cu valorile c și cu distribuția celulară obținută în modelul discret.

Concluzii biologice

• Modelul explică fidelitatea cu care este menținută organizarea tisulară în timpul reînnoirii.
• Confirmă rolul diviziunii celulare asimetrice și rotative în generarea de modele organizate.
• Sugerează existența unui „cod tisular” care determină nu doar organizarea în timpul dezvoltării, ci și menținerea acesteia la vârsta adultă.
• Simulările oferă o explicație posibilă pentru apariția frecventă a modelului Fibonacci în biologie.

Implicații

Modelul propus deschide noi direcții de cercetare:

• În patologie: dereglarea codului tisular ar putea explica debutul cancerului sau apariția altor boli prin dezorganizarea celulară.
• În biologia dezvoltării: oferă o punte între programul genetic și forma finală a țesuturilor.
• În ingineria tisulară: ar putea ghida reconstrucția de țesuturi în mod controlat.

Concluzie

Studiul sugerează că organizarea extrem de precisă a țesuturilor adulte, inclusiv în epiteliul colonic, poate fi explicată de un set minimal, dar robust de reguli biologice și matematice. Acest cod tisular oferă o nouă paradigmă pentru înțelegerea menținerii organizării tisulare și a modului în care aceasta poate fi perturbată în bolile umane.