MERFISH-based pooled genetic screening reveals cell non-autonomous phenotypes in intact tissue

Las células no viven aisladas. Incluso dentro de un solo órgano, existen en un vecindario concurrido y estructurado donde su posición, forma y la comunicación constante con sus vecinos moldean su comportamiento. Durante décadas, los científicos han sido capaces de estudiar cómo el cambio de un solo gen afecta a una célula, pero hacerlo de una manera que preserve la ubicación original de la célula y su relación con el tejido circundante ha sido un obstáculo importante. Los métodos tradicionales requieren extraer las células del cuerpo, separarlas y leer su código genético en un tubo de ensayo. Este proceso destruye el mapa de dónde estaba la célula y quiénes eran sus vecinos. Para comprender verdaderamente cómo un cambio genético se propaga a través de un tejido vivo, los investigadores necesitaban una forma de mirar dentro del órgano intacto, identificar qué células habían sido alteradas y ver cómo esos cambios afectaban a las células situadas justo al lado de ellas, todo ello sin perder el contexto espacial.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y del Instituto de Investigación del Biomédico Howard Hughes ha desarrollado una nueva técnica de imagen que resuelve este problema. Crearon un método para realizar cribados genéticos a gran escala directamente dentro del tejido hepático intacto de un ratón. Mediante el uso de un sistema de imagen de alta resolución llamado MERFISH, pudieron rastrear la identidad genética de células individuales, medir su estado molecular interno y mapear su ubicación exacta en relación con sus vecinos. La innovación clave fue una forma de leer los "códigos de barras" genéticos que identifican qué células habían sido alteradas, sin utilizar pasos químicos complejos para amplificar la señal. Esta simplificación les permitió detectar muchos más marcadores genéticos y mensajes celulares que los métodos anteriores, lo que les permitió perfilar 1.5 millones de células en un solo experimento. El resultado es un mapa tridimensional detallado que muestra no solo cómo una célula modificada se cambia a sí misma, sino también cómo remodela todo el entorno local que la rodea.

Los investigadores comenzaron refinando sus herramientas para que funcionaran sin la necesidad de amplificación enzimática, un proceso químico que suele utilizarse para potenciar señales débiles en la obtención de imágenes. En su trabajo anterior, tenían que utilizar enzimas para multiplicar los códigos de barras genéticos adheridos a las células que querían estudiar, pero esto añadía pasos que a veces reducían la claridad de los datos. Descubrieron que, al diseñar códigos de barras genéticos más cortos y compactos y confiar en la abundancia natural de estas moléculas dentro de la célula, podían detectarlas directamente mediante una hibridación simple. Este enfoque directo resultó ser significativamente más eficiente. Recuperó casi diez veces más códigos de barras genéticos y dos veces y media más mensajes celulares por célula en comparación con su método anterior. Esta mejora significó que pudieron asignar con confianza una identidad genética a muchas más células y observar cambios sutiles en la actividad genética que antes eran invisibles.

Con este sistema mejorado en mano, el equipo se centró en el hígado de ratón, un órgano complejo compuesto por muchos tipos diferentes de células que trabajan juntas. Introdujeron una biblioteca de instrucciones genéticas en los hígados de ratones jóvenes, dirigidas a unos 200 genes específicos en las células hepáticas conocidas como hepatocitos. Cada célula hepática recibió un código de barras genético único que actuó como una etiqueta, permitiendo a los investigadores saber exactamente qué gen había sido alterado en esa célula específica. Después de que los ratones crecieron y los cambios genéticos surtieron efecto, los investigadores cortaron el tejido hepático y utilizaron su sistema de imagen para escanear todo el órgano. Identificaron la identidad genética de cada célula, midieron la actividad de cientos de genes dentro de ella y registraron su posición precisa en el tejido. En total, analizaron más de 1.5 millones de células, creando un conjunto de datos masivo que vinculaba los cambios genéticos con los estados celulares y las ubicaciones espaciales.

El estudio reveló dos tipos distintos de efectos. Primero, los investigadores confirmaron que alterar un gen en una célula hepática causaba que esa célula específica cambiara su propio comportamiento, un fenómeno conocido como respuesta celular autónoma. Por ejemplo, cuando interrumpieron un gen implicado en el plegamiento de proteínas, las células hepáticas afectadas mostraron una clara respuesta de estrés, activando genes para lidiar con el daño mientras desactivaban genes relacionados con sus funciones hepáticas normales. Estos cambios se limitaron a las células alteradas, permaneciendo las células vecinas sin afectación. Esto confirmó que el nuevo método podía capturar con precisión las consecuencias directas de las perturbaciones genéticas dentro del complejo entorno de un órgano vivo.

Más sorprendente aún, los investigadores descubrieron que cambiar un solo gen en una célula hepática también podía desencadenar cambios en las células inmediatamente circundantes, un fenómeno llamado respuesta celular no autónoma. La alteración genética en una célula enviaba señales que remodelaban el vecindario local. En un ejemplo impactante, cuando interrumpieron un gen llamado Vhl en las células hepáticas, esas células empezaron a actuar como si estuvieran en un entorno de bajo oxígeno. Este cambio desencadenó una cascada de efectos en las células cercanas. Las células de los vasos sanguíneos y las células de soporte situadas justo al lado de las células hepáticas alteradas empezaron a expresar genes asociados con la construcción de nuevos vasos sanguíneos y la activación de sus propios programas de crecimiento. Estos cambios fueron más intensos en las células más cercanas a la célula hepática alterada y se desvanecieron a medida que aumentaba la distancia, mostrando un claro gradiente de influencia que irradiaba desde la fuente.

En otro descubrimiento, el equipo encontró que la interrupción de un gen implicado en una bomba celular llamada V-ATPase conducía a una acumulación localizada de un tipo específico de célula inmunitaria. Cuando las células hepáticas presentaban una función de V-ATPase deteriorada, un tipo de célula inmunitaria similar a una célula dendrítica plasmatoide se agrupaba en grandes cantidades justo al lado de ellas. Esta acumulación no se observó con otros cambios genéticos, lo que sugiere un vínculo específico entre el fallo de esta bomba celular y el reclutamiento de estas células inmunitarias. Los investigadores observaron que estas células inmunitarias estaban concentradas a una distancia muy corta de las células hepáticas alteradas, formando un grupo distintivo que no estaba presente en el tejido sano circundante.

El poder de este nuevo enfoque reside en su capacidad para conectar los puntos entre un cambio genético, la propia reacción de la célula y la reacción de sus vecinos, todo ello preservando la disposición física del tejido. Al mapear estas interacciones en un órgano vivo, los investigadores demostraron que las perturbaciones genéticas no ocurren en el vacío; se propagan hacia afuera, alterando la composición y el comportamiento de la comunidad celular local. El estudio proporciona una forma simplificada y escalable de investigar cómo las células genéticamente alteradas remodelan sus microentornos, ofreciendo una nueva ventana a la compleja vida social de las células dentro de un tejido intacto. Este método abre la puerta a comprender cómo las enfermedades pueden propagarse o contenerse dentro de un órgano, y cómo la disposición física de las células influye en su función, sin necesidad de separar el tejido.