Estudio de la organización compleja de tejidos biológicos usando conceptos matemáticos

Resumen

Introducción: En la naturaleza podemos encontrar diferentes tipos de patrones geométricos naturales. Uno de ellos, las teselaciones, representan un tipo compuesto por figuras poligonales que rellenan un plano sin solaparse de tal forma que no queden espacios entre ellos. Estos patrones pueden hallarse en diversos tejidos biológicos empaquetados como epitelios o músculos. El tipo de empaquetamiento celular en estos tejidos va a determinar su patrón morfológico. Motivación: Esta tesis doctoral presenta como objetivo principal la caracterización y comprensión tanto de la morfogénesis como el mantenimiento de la organización celular en tejidos empaquetados mediante el análisis de imágenes computerizado. Desarrollo teórico: Primero, comenzamos con el estudio de la morfogénesis en epitelios proliferativos, empleando imágenes del disco del ala de Drosophila como modelo. Hemos convertido estas imágenes en grafos para capturar información sobre su organización. Así, hemos encontrado que el número de lados de las células impone restricciones en la geometría local que afecta a la organización general del tejido. Segundo, hemos establecido una escala para cuantificar la organización de los tejidos empaquetados usando el patrón geométrico establecido por los diagramas de Voronoi. Comparamos con esta escala diversos tejidos con distinto origen y provenientes de organismos que van desde Drosophila a humanos. Encontramos que las distribuciones de polígonos de cada uno de los tejidos biológicos siempre correspondía con algún paso de la escala de Voronoi. Por tanto, los tejidos biológicos no se pueden organizar de infinitas maneras, sino que están sujetos a unas restricciones físicas los limitan. Hemos utilizados alteraciones genéticas en Drosophila y biopsias de músculos con atrofia neurógena junto con simulaciones por ordenador para analizar que componentes biofísicas de las células hacen que los tejidos sigan esta restricción. Hemos demostrado que las alteraciones en el volumen de estabilidad de la célula (turgencia) hacen que los tejidos puedan adquirir organizaciones fuera de la escala marcada por los diagramas de Voronoi. Por tanto, es el componente biofísico principal que establece la restricción física que rige la organización celular en los tejidos empaquetados. Conclusión: En resumen, hemos demostrado que en condiciones fisiológicas los tejidos empaquetados están sujetos a unas restricciones físicas que limitan su topología y hemos descrito cuales son estas posibles organizaciones.