jueves 20/1/22

Bioluminiscencia, luciérnagas y regeneración cardíaca: arrojando luz sobre lo desconocido

Sobre cómo, quizás con no demasiada correspondencia, el hombre ha adaptado la formidable propiedad de las criaturas brillantes para sus propios fines

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Comprender por qué ciertos organismos emiten luz ha sido la base de muchos avances científicos. ¿Quién no ha visto durante las calurosas noches de verano a distintas especies de escarabajos terrestres conocidos popularmente como luciérnagas (Lampyridae) emitiendo destellos de luz para encontrarse unos a otros en largas distancias? Si habéis tenido el placer de ver la película ‘Buscando a Nemo’ (en inglés Finding Nemoy ganadora de un premio Oscar a la mejor película de animación en 2003), sabréis también que al pequeño y heroico pez payaso protagonista se le caen unas gafas de submarinista en una zona muy profunda y oscura donde no llega la luz, y casi no hay vida. Es el fondo oceánico, formado por una capa de lodo y esqueletos del plancton, y conocido como zona abisal. Tras perder el preciado objeto, Nemo y su despistada amiga Dory descienden muy despacio y cada vez está más oscuro hasta que, de repente, a una profundidad entre 3.000 y 4.000 metros, son atraídos por una potente luz que surge de un feo y peligroso pez abisal (Melanocetus johnsonii). Este depredador posee una antena en su cabeza, que se asemeja a una bombilla y contiene gran cantidad de unas bacterias bioluminiscentes marinas que le sirven para emitir luz y atraer a sus presas para poder alimentarse. 

Pues bien, se conoce como bioluminiscencia a la producción de luz por parte de los organismos vivos, como es el caso de las luciérnagas y peces abisales, entre muchos otros. Como veremos a continuación, la bioluminiscencia se produce por la oxidación de un pigmento llamado luciferina y la acción de una enzima catalizadora denominada luciferasa. Desde hace décadas, en laboratorios de todo el mundo dedicados a distintas disciplinas científicas, los investigadores han aprendido a sacar provecho de la aplicación de la bioluminiscencia para echar luz sobre muchos de sus estudios. Interesantemente, el uso de esta metodología de imagen se ha traducido en el descubrimiento e implementación de nuevas técnicas bioanalíticas que han participado de numerosos e importantes avances científicos. Brevemente, el campo de estudio en imagen no invasiva donde se enmarca la bioluminiscencia y todas sus derivaciones se ha beneficiado del uso de las fotoproteínas y luciferasas que hoy se aíslan de un grupo generalizado de organismos y que posteriormente pueden manejarse de forma estable y eficiente para así aprovechar esta extraordinaria y tan particular propiedad, generar luz. Por ejemplo, los principales desafíos en regeneración cardiaca siguen sin resolverse, pero una gran cantidad de estudios han aprovechado el estudio y aplicación de las denominadas proteínas bioluminiscentes, descritas por primera vez en la medusa Aequorea victoriaa principios de la década de 1960. En concreto fue un biólogo marino japonés superviviente de la bomba atómica de Nagasaki y afincado en Woods Hole, Massachusetts (Estados Unidos), Osamu Shimomura, quien descubrió que la clave de la bioluminiscencia en estas medusas era una fotoproteína, que bautizó como aequorina; y que, al ser activada con calcio, emitía un tipo muy particular de luz azul. Según describió Shimomura, "La medusa gestiona la concentración de este compuesto en su interior para controlar la producción lumínica. Cuando la molestan, el nivel de calcio sube y enciende la alarma, que parece un neón intermitente". Pero un día de 1961, el científico observó que, contemplada bajo la luz ultravioleta, la luz de la medusa adquiría un tono verdoso a causa de la acción de lo que luego llamó proteína verde fluorescente (en inglés green fluorescent proteino GFP, que emite bioluminiscencia en la zona verde del espectro visible. Por el conjunto de sus hallazgos, que han encontrado un sinfín de aplicaciones en medicina, genética y biotecnología, Shimomura fue galardonado con el Nobel de Química en 2008. 

Posteriormente, estas moléculas bioluminiscentes, de las que carecemos los seres humanos, han contribuido en gran medida al diseño e inicio de algunos estudios pioneros que han demostrado el potencial de las células madre en la reparación del tejido cardiovascular del corazón tras sufrir un infarto de miocardio. En modelos experimentales in vivo, como por ejemplo roedores (ratones y ratas principalmente) en los que se ha inducido un infarto de miocardio, el uso de la bioluminiscencia ha proporcionado información muy valiosa sobre como colonizan, sobreviven y actúan las células madre una vez son implantadas y a lo largo del tiempo de evolución de la enfermedad. De este modo los científicos, en base a los resultados y datos analíticos obtenidos en estos estudios, pueden refinar la efectividad y los mecanismos subyacentes de la terapia con células madre. La bioluminiscencia ha sido particularmente útil porque los investigadores tienen la habilidad y tecnología necesarias para modificar nuestras propias células para que adquieran esta nueva propiedad, que es la de poder generar luz por ejemplo cuando son activadas de forma muy particular o específica. Además, el beneficio de esta técnica de imagen se substrae de un hecho tan trascendental como es que la emisión de luz a partir de la actividad de estas fotoproteínas y luciferasas se correlaciona linealmente con la densidad celular o número de células vivas emisoras en cada momento del análisis. Hasta la fecha, no obstante, su aplicación sólo es factible para seguir el comportamiento y efectividad de las células madre humanas en animales pequeños, debido a la pérdida o atenuación de la señal luminosa emitida por los fenómenos de dispersión producidos cuando la luz se transmite a través de tejidos corporales más densos como, por ejemplo, los de los mamíferos superiores. 

Así, el desarrollo y aplicación de nuevas modalidades de imagen que puedan superar los obstáculos actuales en el campo de la regeneración cardíaca se encuentra en una fase muy preliminar y en completa expansión. En particular, la imagen por resonancia magnética proporciona una resolución espacial muy precisa, mientras que las técnicas de imagen por bioluminiscencia proporcionan con facilidad información muy valiosa sobre la ubicación y estado funcional de las terapias celulares que se aplican.En su conjunto, la experiencia acumulada demuestra que la bioluminiscencia es una herramienta con gran potencial, limpia, nítida y segura para el análisis no invasivo (reduce de forma muy importante el número de animales de experimentación utilizados en los estudios) de la regeneración cardíaca y nos ayuda a ampliar enormemente nuestro conocimiento de las bases, ventajas y limitaciones del uso de las células madre, sus dosis y vías de administración óptimas, y en definitiva su eficacia real. Sin embargo, solo unas pocas proteínas bioluminiscentes han sido estudiadas en detalle. Este hecho demuestra que el abanico o rango de mejora en este campo de investigación es muy importante y vislumbra un inmejorable potencial en el diseño y desarrollo de nuevas técnicas de imagen bioluminiscente con capacidad de ser aplicadas a modelos de enfermedad mucho más similares al humano (mamíferos superiores).

Históricamente las primeras referencias sobre reacciones de emisión de luz, incluida la introducción de los términos luciferina y luciferasa, datan de 1885, cuando Emil du Bois-Reymond (1818–1896), un médico alemán conocido por sus estudios sobre el potencial de acción nervioso, mezcló dos extractos diferentes de almejas y escarabajos, y produjeron luz. Tras pruebas adicionales, Bois-Reymond también observó que uno de los dos extractos utilizados era sensible al calor, lo que le llevó a la conclusión de que había al menos dos componentes en la reacción que emitía la luz observada, y que la sustancia química sensible al calor era una enzima a la que llamó “luciferasa”. Desde entonces al otro compuesto resistente al calor se le conoció con el término “luciferina” (del latín Lucifer, "portador de luz"). Otros hitos reseñables en el esclarecimiento de los compuestos bioluminiscentes y sus mecanismos de acción son el descubrimiento en 1947 de la molécula o fuente de energía usada por la luciferasa durante el proceso de emisión de luz: el trifosfato de adenosina (en inglés adenosine triphosphateo ATP). A continuación, en 1952, Strehler y Totter publicaron una aplicación analítica específica de la luciferasa de la luciérnaga en un ensayo para la medición de los niveles de ATP. La estructura molecular de la luciferasa y la luciferina de la luciérnaga fueron resueltas posteriormente por McElroy y colaboradores en 1956 y 1961 respectivamente. En su conjunto estos trabajos resultaron en la descripción exacta de la reacción de transformación de la luciferina (sustrato) en oxiluciferina y luz (productos), bajo la actividad de la luciferasa (enzima) y en combinación con ATP (molécula energética) y oxígeno.

En el campo de la regeneración cardíaca, la aplicación de las técnicas de imagen por bioluminiscencia ha podido recabar datos incuestionables que arrojan luz sobre un hecho de gran transcendencia para llegar a conseguir una completa recuperación del tejido cardiovascular enfermo mediante tratamiento con células madre: el grado de pervivencia de las células implantadas es considerablemente bajo, debido a que la cantidad de luz emitida por las células (se emite sólo cuando las células están vivas) se reduce drásticamente (~90%) a la tercera semana post implantación. Por ello, la mejora de la supervivencia a través de la activación de una respuesta adaptativa más eficiente de las células madre a las condiciones extremas del miocardio infartado producidas por la falta de riego sanguíneo sigue estando entre las principales preocupaciones para intentar conseguir un resultado terapéutico óptimo, además de otros retos como son la identificación del tipo de célula, formas de administración y dosis más apropiadas.

En conclusión, el fenómeno natural de la bioluminiscencia está muy extendido en todos los niveles biológicos, desde bacterias y hongos hasta peces, pasando por gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos e insectos. En particular, esta reacción ocurre en los órganos luminosos de una gran variedad de organismos que habitan aguas muy profundas para sobrevivir y comunicarse en unas condiciones extremas donde la luz solar es prácticamente ausente, y camuflarse o cegar a posibles agresores o depredadores y escapar. Tras la descripción de sus mecanismos básicos y sus potenciales aplicaciones, el hombre ha sido capaz de modificar sus propias células para que también emitan luz y poder seguir así su rastro y actividad (función y viabilidad) de forma eficiente y no invasiva una vez dentro de modelos de enfermedad, como es el caso de ratones con infarto de miocardio, o bien para determinar la concentración de moléculas o productos de reacción en bioensayos de gran sensibilidad. Su uso, entre otros aspectos, promueve un uso más racional de animales de experimentación según el principio de las 3 Rs (Reemplazo, Reducción y Refinamiento), que establece los estándares aceptados para investigar con animales. El camino recorrido y esfuerzos invertidos en este campo de investigación han sido muchos, y confirman sin ningún tipo de duda que el futuro que nos depara es cuando menos brillante. 

* Santiago Roura, Doctor en Bioquímica e Investigador del Institut del Cor del Germans Trias i Pujol (Badalona)

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