Una nueva dimensión del trasplante

Investigadores de la ETH de Zúrich han anunciado un gran avance tecnológico: han desarrollado un método con el que las mitocondrias -las diminutas centrales energéticas de una célula- pueden transferirse de una célula viva a otra con una eficacia inigualable.

Trasplante de órganos a nivel celular: los investigadores utilizan una nanosiringe para aspirar mitocondrias (azul) de una célula viva y transferirlas a otra.

Al igual que el cuerpo humano puede dividirse en distintos órganos -como el corazón, los pulmones, los riñones, los intestinos o el hígado-, nuestras células también constan de varios sistemas complementarios e interdependientes, que en términos técnicos se conocen como orgánulos (es decir, pequeños órganos). Y del mismo modo que la vida de una persona con una enfermedad renal puede prolongarse a veces varias décadas con el trasplante de un riñón sano, las células individuales podrían quizá algún día renovarse con el trasplante de componentes celulares.

Los nuevos hallazgos del grupo de investigación de Julia Vorholt, del Instituto de Microbiología de la ETH de Zúrich, demuestran que este experimento no es sólo una quimera, sino que ha entrado en el terreno de la viabilidad técnica. Según acaban de publicar los científicos en la revista científica PLos Biology, han trasplantado mitocondrias de una célula viva a otra utilizando una nanosiringe que habían desarrollado previamente.

En estas diminutas centrales energéticas celulares tienen lugar los procesos bioquímicos de la respiración celular, que se desarrollaron en bacterias hace más de dos mil millones de años. Posteriormente, algunas bacterias formaron una estrecha comunidad con otras células, la llamada endosimbiosis. Esto desempeña un papel central en la historia filogenética de la vida en la Tierra: fue lo que permitió el desarrollo de los hongos, las plantas y los animales (incluidos nosotros, los humanos), todos ellos formados por células complejas.

Trasplante mitocondrial (A) Esquema del trasplante mitocondrial mediante el método de transferencia de célula a célula: las mitocondrias se extraen por aspiración FluidFM. Posteriormente, el voladizo que contiene el extracto se desplaza hasta una célula receptora y se inyecta el extracto. (B) Imagen de un cantilever FluidFM precargado con perfluorooctano tras la extracción mitocondrial, las mitocondrias están marcadas con su9-mCherry. El volumen extraído es de aproximadamente 0,8 pL. Barra de escala: 10 μm. (C) Esquema del trasplante mitocondrial utilizando mitocondrias purificadas según un protocolo estándar de purificación mitocondrial. Las mitocondrias purificadas se resuspenden en tampón HEPES-2 y se introducen directamente en la sonda fluídica. Las células se inyectan una tras otra. (D) Imagen de un voladizo FluidFM lleno de mitocondrias aisladas de la masa y etiquetadas con su9-mCherry. Barra de escala: 10 μm. (E) Imágenes de una célula receptora tras el trasplante de mitocondrias mediante el enfoque célula a célula. La red mitocondrial de las células receptoras está marcada con su9-BFP, el injerto con su9-mCherry. Barra de escala: 10 μm. (F) Imágenes de una célula receptora tras el trasplante mitocondrial por inyección de mitocondrias aisladas, etiquetado como en c. Barra de escala: 10 μm. (G) Evaluación del trasplante mitocondrial mediante el enfoque célula a célula tras la inspección visual y el enfoque de inyección de mitocondrias aisladas. Se analizó un total de 40 células por abordaje. (H) Número absoluto de mitocondrias transplantadas de 22 células individuales analizadas para el enfoque célula a célula y la inyección de mitocondrias aisladas. (I) Estados de fusión de las mitocondrias trasplantadas 30 años después del trasplante célula a célula. Las mitocondrias se visualizan con diferentes etiquetas fluorescentes para el injerto (su9-mCherry) y para la red mitocondrial del huésped (su9-BFP). Barras de escala: 5 μm. (J) Estados de fusión de las mitocondrias trasplantadas 30 después de la inyección de mitocondrias purificadas, etiquetado similar al de g. Barra de escala: 5 μm. (K) Degradación de las mitocondrias trasplantadas, el injerto se divide en varias vesículas fluorescentes más pequeñas (su9-mCherry) que no muestran solapamiento de fluorescencia con la red mitocondrial etiquetada de la célula huésped (su9-BFP). Barra de escala: 5 μm. (L) Serie de imágenes de lapso de tiempo de una sola mitocondria trasplantada (su9-mCherry). El donante del orgánulo era una célula HeLa, la célula receptora es una célula U2OS con una red mitocondrial marcada con fluorescencia (su9-BFP). Barra de escala: 10 μm (fuente: [2]).

Así han evolucionado las mitocondrias a partir de antiguas bacterias a lo largo del tiempo: Organelos responsables de la producción de energía en las células complejas actuales. En las células humanas, las mitocondrias forman una red dinámica en forma de hilo. "Los hilos reaccionan a la presión negativa y se transforman en una especie de collar de perlas del que se desprenden mitocondrias individuales", explica Christoph Gäbelein, primer autor del artículo.

Representación esquemática de la extracción e inyección de orgánulos con FluidFM.
(A) El volumen de extracción se fija aplicando una presión negativa (-Δp). El llenado previo de la sonda con octadecafluorooctano permite la separación óptica y física del extracto dentro del cantilever. (B) Extracción selectiva de componentes de orgánulos ajustando el tamaño de la abertura y, por tanto, el rango de fuerzas de flujo aplicables. Fila superior: Representación esquemática de los componentes celulares extraídos dentro del voladizo. Fila central: micrografías electrónicas de barrido de puntas en voladizo con diferentes aperturas. Fila inferior: Rango de fuerzas fluídicas aplicables con voladizos FluidFM personalizados. Barra de escala: 2 μm. (C) Representación esquemática de la inyección de mitocondrias en células individuales mediante la aplicación de presión positiva (+Δp) una vez que el cantilever se ha insertado en la célula receptora. RE, retículo endoplásmico (fuente: [2])

Utilizando nanopipetas cilíndricas con extremos en ángulo desarrolladas especialmente para este estudio, los investigadores perforaron la membrana celular y aspiraron las mitocondrias esféricas. A continuación, perforaron la membrana de otra célula y volvieron a bombear las mitocondrias desde la nanopipeta a la célula receptora. (véase la figura)

La posición de la nanopipeta se controla mediante la luz láser de un microscopio de fuerza atómica convertido. Un regulador de presión ajusta el flujo de líquido. Esto permite mover volúmenes inimaginablemente pequeños, del orden de los femtolitros, durante el trasplante de orgánulos. Tanto las células donantes como las receptoras sobreviven a este procedimiento mínimamente invasivo (véase la ilustración).

Más del 80 % de las mitocondrias trasplantadas también sobreviven a la operación. En la mayoría de las células, las mitocondrias inyectadas comienzan a fusionarse con la red filamentosa de la nueva célula al cabo de veinte minutos. "Son aceptadas por la célula huésped", afirma Julia Vorholt. Sólo en unas pocas células son víctimas del control de calidad de las nuevas células huésped, y se degradan.

"En el futuro, la tecnología aquí presentada permitirá aplicaciones en diversas áreas de investigación", escriben los investigadores. Por ejemplo, podría utilizarse para rejuvenecer células madre cuya actividad metabólica disminuye con la edad. Sin embargo, el equipo de Vorholt tiene otros planes. "Queremos entender los procesos que controlan la cooperación de los distintos compartimentos celulares y comprender cómo evolucionan los endosimbios con el tiempo", afirma Vorholt.

https://ethz.ch

Bibliografía

[1] Fuente: ETH Zurich
[2] Gäbelein CG, Feng Q, Sarajlic E, Zambelli T, Guillaume-Gentil O, Kornmann B, Vorholt JA. Trasplante de mitocondrias entre células vivas. PLoS Biol. 20: Publicado: 23 de marzo de 2022, doi: 10.1371/journal.pbio.3001576call_made