Los investigadores han desarrollado el mapa celular tridimensional más detallado hasta la fecha de un embrión de ratón, que incluye casi ocho millones de células. Este mapa ilustra cómo las células interactúan y migran en un embrión en desarrollo menos de dos semanas después de la concepción, lo que podría ayudar a los científicos a identificar posibles causas de enfermedades congénitas.
El mapa revela las estructuras de los principales órganos en formación, desde el cerebro y el corazón hasta la médula espinal. Además, permite observar las complejas estructuras que emergen en el tubo neural, precursor del sistema nervioso central, así como los movimientos asimétricos de las células que dan forma a las cuatro cámaras del corazón en desarrollo.
Este trabajo ha sido publicado en la revista Cell. Para crear este embrión "virtual" los investigadores desarrollaron un modelo llamado Spateo, que integra diversos tipos de datos. Entre estos se incluye el transcriptoma, es decir, el conjunto completo de moléculas de ARN implicadas en la síntesis de proteínas, de cada célula en un corte de embrión. Este corte se obtuvo en unos 90 tejidos a lo largo de dos momentos temporales del desarrollo. Además, el equipo logró localizar y registrar los perfiles de transcripción de cada célula tanto en el espacio como en el tiempo.
También pudieron registrar el comportamiento de un total de 7,8 millones de células en un embrión de ratón a los 9,5 y 11,5 días después de la fecundación, un período crítico en el que la mayoría de los órganos de los ratones están en proceso de formación. Esta información del embrión con una resolución unicelular real en etapas de desarrollo es la primera vez que se consigue visualizar al completo incluyendo tantas células. Los investigadores señalan que Spateo podría emplearse para crear mapas de cualquier especie, incluso a partir de datos de embriones y órganos humanos.
Nueva era de la biología
El equipo que ha llevado a cabo esta investigación asegura que nos encontramos en los inicios de una nueva era en la biología espacial, impulsada por métodos de resolución subcelular y de campo de visión amplio, que permiten la creación de conjuntos de datos a escala embrionaria con resolución temporal en un espacio tridimensional. Para analizar en su totalidad estos complejos conjuntos de datos, es esencial contar con un marco analítico escalable que modele de manera explícita la expresión génica y la dinámica de la señalización en el espacio 3D a lo largo del tiempo.Spateo es un "marco esencial" para el modelado espaciotemporal avanzado en biología, que tiene en cuenta la dimensión 3D, indican en el estudio.
Consta de cuatro fases integrales: primero la reconstrucción de modelos 3D de embriones y órganos a partir de secciones seriadas 2D, utilizando un algoritmo escalable y preciso que permite un refinamiento parcial, no rígido, y de múltiples cortes, así como la corrección de la malla; además de una construcción de un marco de digitalización de dominio espacial a múltiples escalas para estudiar diferentes niveles biológicos, desde el de una sola célula hasta el de un embrión completo; así como un análisis de las interacciones Ly predicción de los efectos sobre la expresión genética en varias estructuras 3D, como ZLI, organizadores MHB y la médula espinal, con resolución unicelular mediante un modelo de regresión espacialmente consciente; y, por último, un aprendizaje de campos vectoriales morfométricos que describen patrones de migración celular, facilitando la identificación de los mecanismos reguladores subyacentes al movimiento celular y la morfogénesis.
Muchos enfoques de la genómica de células individuales se pueden adaptar a la genómica espacial, como la multiómica de células individuales, el etiquetado metabólico de ARN, Perturb-seq, y el rastreo de linaje, lo que permite obtener múltiples vistas de los sistemas biológicos. Además, se pueden resolver dinámicas de los estados celulares en el espacio y el tiempo, por linaje y por perturbación in situ y en 3D.
En este sentido, los expertos de este trabajo prevén oportunidades para aplicar Spateo en una variedad de contextos, como la creación de atlas de células resueltos espacialmente entre especies, y la comparación de modelos 3D de órganos entre diferentes especies para comprender la evolución de estructuras tisulares, como la transformación del corazón de una sola cámara en invertebrados al corazón de cuatro cámaras en mamíferos. Con la optimización continua del enfoque de campo vectorial morfométrico 3D, esperamos una amplia gama de oportunidades para conectar directamente los genes reguladores y funcionales con los cambios morfológicos a nivel de órganos y embriones.
Estos innovadores enfoques de modelado espaciotemporal con reconocimiento en 3D han impulsado una serie de descubrimientos que de otro modo habrían sido extremadamente complejos, aseguran los investigadores. A medida que las tecnologías espaciales siguen madurando y se implementan en los laboratorios biológicos, se prevé una expansión significativa de las optimizaciones y aplicaciones de la biología espacial y un mayor desarrollo de Spateo.
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