23/02/2017

Una nueva metodología permite ver, de manera rápida, los flujos del metabolismo en las células

Un grupo de investigadores de la URV, el CIBERDEM y el IRB Barcelona ha desarrollado una nueva metodología que explota la técnica de la resonancia magnética nuclear para estudiar el metabolismo. Se trata de una herramienta que permite controlar los flujos metabólicos de manera que, en solo diez minutos, se puede obtener información dinámica de un gran número de moléculas. Esto puede ser útil, en aplicaciones futuras, para entender los motivos que conducen al desarrollo de determinadas enfermedades

En esta imagen gráfica se simulan los flujos del metabolismo en las células, con los nutrientes marcados con un isótopo estable que permiten estudiar los flujos y las dinámicas de transformación de estos nutrientes.

Si durante varios días hacemos fotografías de las paradas de metro de Barcelona, podremos observar cuántas personas esperan en ellas, conocer cuáles son las horas punta o deducir por qué unas estaciones están más llenas que otras. Sin embargo, no podremos saber si ha pasado algo entre parada y parada que haya provocado que, en un momento dado, se acumule más gente en los andenes, o cuál puede ser la causa de que se produzcan retrasos importantes. Esto es exactamente lo que sucede cuando se estudia el metabolismo de una célula.

El metabolismo celular es como una red de metro en la que las estructuras químicas de los metabolitos pasan de una parada a otra mediante transformaciones bioquímicas. Hasta ahora, se podía determinar la cantidad de metabolitos en una célula, en un tejido o en un organismo, pero estudiar los flujos era técnicamente complicado y costoso en el tiempo. Ahora, un grupo de investigadores de la Universitat Rovira i Virgili, el Centro de Investigación Biomédica en Red de Diabetes y Enfermedades Metabólicas Asociadas (CIBERDEM) y el Instituto de Investigación Biomédica de Barcelona ha creado una nueva herramienta que permite estudiarlo.

Las técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN) utilizadas hasta el momento cubrían pocos metabolitos; además, los investigadores podían pasar muchas horas midiendo cada una de las muestras, y los datos eran difíciles de interpretar. La nueva aproximación es muy rápida -diez minutos por muestra-  y permite obtener muchos más metabolitos, con unos resultados más fáciles de interpretar. Es decir, se puede saber de manera más rápida y efectiva el movimiento del metabolismo.

 

La plataforma metabolómica permite hacer el estudio sistemático del perfil metabolómico de un proceso biológico.

Se trata de una metodología basada en la RMN que, midiendo los átomos de hidrógeno (protones), permite determinar indirectamente la cantidad de átomos de carbono marcados en las estructuras químicas de los metabolitos. La medida del protón por RMN es mucho más rápida y sensible que la del carbono, pues marca un nutriente utilizado por las células para alimentarse, como la glucosa o los aminoácidos, con un isótopo estable. Los isótopos estables, como el carbono 13, no son radiactivos y, por tanto, no suponen ningún peligro para los organismos ni para las personas que manipulan las muestras. De este modo, se pueden estudiar los flujos y las dinámicas de transformación de los nutrientes dentro de la célula. Por el momento, la eficacia de esta nueva técnica se ha validado utilizando células de cáncer humano, pero es directamente aplicable a cualquier modelo biológico.

Entender los motivos que llevan a determinadas enfermedades

En la diabetes –un síndrome de metabolismo alterado—, por ejemplo, el fenómeno se inicia mucho antes de que aumenten los niveles de glucosa en sangre, pues el cuerpo utiliza muchos mecanismos y compensaciones para mantener estables los niveles de este nutriente. Ahora bien, cuando se empiezan a observar niveles de glucosa altos en sangre es porque la enfermedad está ya avanzada.

La técnica que ahora se ha publicado introduce una nueva forma de estudiar los mecanismos que hacen que determinados tejidos del organismo, como las células del hígado o el páncreas, no puedan regular los niveles de glucosa o se vuelvan insensibles a ella. Es decir, el estudio de los flujos metabólicos ayuda a entender mejor los motivos iniciales y el mecanismo por el cual se desarrolla una enfermedad y, por lo tanto, también permite diagnosticarla.

En definitiva, se trata de una metodología con gran potencial gracias a la cual clínicos y biólogos moleculares podrán entender mejor determinadas enfermedades. Esta nueva técnica, además, no precisa de la radiactividad para estudiar el metabolismo, a diferencia de como se ha procedido históricamente.

En el artículo, publicado en la revista científica Angewandte Chemie, se demuestra el resultado de este trabajo en células de cáncer; no obstante, los investigadores aseguran que se puede dar glucosa, aminoácidos o grasas marcadas con isótopos estables en otras células o incluso animales. Por otra parte, el hecho de que esos isótopos no sean radiactivos facilita enormemente el trabajo, puesto que no se precisan condiciones especiales en el laboratorio.

Para llevar a cabo este trabajo, los investigadores han utilizado la RMN de una manera diferente a como se ha venido haciendo hasta ahora para estudiar el metabolismo. Maria Vinaixa, investigadora al Departamento de Ingeniería Electrónica de la URV y en la actualidad investigadora de la Universidad de Manchester, y Òscar Yanes, investigador del mismo departamento de la URV y coordinador de la Plataforma de Metabolómica del Centro de Investigación Biomédica en Red de Diabetes y Enfermedades Metabólicas Asociadas (CIBERDEM), explican que con esta metodología “explotamos al máximo la resonancia magnética nuclear en cuanto a sensibilidad y cobertura del metabolismo” y, al mismo tiempo, consideran que “es difícil llevarla más allá”. Ahora, la limitación es la propia resonancia.

 

Referencia bibliográfica: Vinaixa, M., Rodríguez, M. A., Aivio, S., Capellades, J., Gómez, J., Canyellas, N., Stracker, T. H. and Yanes, O. (2017), Positional Enrichment by Proton Analysis (PEPA): A One-Dimensional 1H-NMR Approach for 13C Stable Isotope Tracer Studies in Metabolomics. Angew. Chem. Int. Ed.. doi:10.1002/anie.201611347.


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