Quantification of cellular contributions to multi-cellular pattern formation

A vida é construída sobre padrões. Das listras de uma zebra ao arranjo das folhas em um caule, os seres vivos organizam-se constantemente em estruturas complexas e repetitivas. Este processo, conhecido como formação de padrões, é fundamental para entender como um animal cresce de uma única célula até se tornar um organismo totalmente formado, como ele se cura após uma lesão e, infelizmente, como doenças como o câncer se espalham. Por décadas, cientistas tentaram compreender o motor por trás dessa organização. Eles sabem há muito tempo que as células podem mudar sua identidade, mover-se, dividir-se ou morrer, e que qualquer uma dessas ações poderia potencialmente criar os designs em larga escala que vemos na natureza. O desafio tem sido descobrir exatamente qual dessas ações celulares é o principal motor em cada situação dada. Um padrão é criado porque as células estão se movendo para locais específicos ou porque elas estão se dividindo mais em algumas áreas do que em outras? Até agora, responder a essa pergunta geralmente exigia que os pesquisadores adivinhassem um mecanismo específico primeiro, construíssem um modelo matemático complexo baseado nessa suposição e depois vissem se o modelo correspondia à realidade. Se a suposição estivesse errada, toda a investigação tinha que recomeçar.

Uma nova abordagem, desenvolvida por pesquisadores da Universidade Aix Marseille e do EMBL Heidelberg, ignora o jogo das suposições inteiramente. Em vez de começar com uma teoria sobre como as células deveriam se comportar, eles criaram um método para simplesmente observar o que as células estão fazendo e medir quanto cada ação específica contribui para o padrão final. Eles chamam sua ferramenta de CREDIT, que significa Cellular Roles in Emergent Development Inferred from Tracks (Papéis Celulares no Desenvolvimento Emergente Inferidos por Trajetórias). O método baseia-se em filmagens de vídeo de alta qualidade de células vivas, onde os cientistas podem rastrear a posição exata de cada célula individual ao longo do tempo e medir quanto de uma proteína específica cada célula está produzindo. Ao analisar essas trajetórias, os pesquisadores podem separar matematicamente o padrão total em suas partes componentes, quantificando exatamente quanto do design se deve ao movimento das células, quanto se deve à divisão celular e quanto se deve à mudança na química interna das células.

Os pesquisadores testaram primeiro seu método usando simulações de computador onde já sabiam a resposta de antemão. Eles criaram mundos virtuais onde podiam aumentar ou diminuir o "volume" do movimento celular, e fizeram o mesmo com a divisão e a morte celular. Nessas simulações controladas, a ferramenta identificou corretamente a força dominante. Quando disseram às células virtuais para se moverem para formar um padrão, a ferramenta disse que o movimento era a causa. Quando disseram às células para se dividirem em locais específicos para criar o design, a ferramenta identificou a divisão como o motor. Essa validação provou que o método funciona sem precisar saber as regras subjacentes do sistema; ele simplesmente observa a geometria das células e o padrão resultante para deduzir a causa.

Com a ferramenta comprovadamente confiável, a equipe aplicou-a a dados biológicos reais. O primeiro sujeito foi um aglomerado de células embrionárias de camundongo, especificamente de um tecido chamado mesoderma pré-somítico, que é crucial para a formação da coluna vertebral e dos músculos. Nestes experimentos, as células formaram agrupamentos e padrões distintos de uma proteína chamada T/Brachyury. Estudos anteriores sugeriram que as células poderiam estar se movendo para esses locais devido a sinais químicos, ou que as células estavam alterando seus níveis de proteína para criar o padrão. No entanto, quando os pesquisadores realizaram sua nova análise, o resultado foi claro e decisivo: o padrão era quase inteiramente impulsionado pelo movimento físico das células. As células moviam-se e agregavam-se em aglomerados, e esse movimento sozinho era suficiente para criar o padrão observado. As mudanças nos níveis proteicos internos das células desempenharam um papel negligenciável na moldagem do design. Esta descoberta apoia a ideia de que forças mecânicas e o movimento celular são os arquitetos primários deste estágio de desenvolvimento específico.

Os pesquisadores voltaram então sua atenção para um sistema muito diferente: culturas de células de câncer de mama. Nesses recipientes, as células cancerígenas organizam-se em "nichos", ou aglomerados, que se assemelham aos ambientes onde as células estamina costumam viver. Esses aglomerados são marcados por uma proteína específica, ALDH1A1, que está associada a células estamina de câncer. Compreender como esses aglomerados se formam é vital porque eles são frequentemente responsáveis pela resistência dos tumores ao tratamento. Neste caso, o novo método revelou uma história completamente diferente. Aqui, o padrão não era impulsionado pelo movimento das células para locais específicos. Em vez disso, a análise mostrou que a formação desses nichos de células estamina de câncer era impulsionada quase exclusivamente pela divisão celular. As células estavam se dividindo com mais frequência em certas áreas, criando aglomerados densos. Curiosamente, os pesquisadores descobriram que as mudanças nos níveis de proteína das células na verdade trabalhavam contra a formação do padrão, perturbando ligeiramente o design, mas esse efeito negativo era sobrecarregado pela força avassaladora da divisão celular.

O poder desta nova abordagem reside na sua simplicidade e na sua falta de viés. Ela não exige que os cientistas assumam um mecanismo específico em ação antes de começarem. Ela trata as células como objetos geométricos movendo-se no espaço e faz uma pergunta simples: o que a célula está fazendo agora que altera a imagem geral? Ao decompor a complexa dança do desenvolvimento em contribuições distintas e mensuráveis, o método revela que a resposta nem sempre é a mesma. Nos embriões de camundongo, o movimento é a chave; nas células de câncer, a divisão é a chave. Essa distinção é crítica porque diz aos biólogos exatamente onde procurar para o próximo passo de sua pesquisa. Se um padrão é impulsionado pelo movimento, os pesquisadores devem estudar as forças mecânicas entre as células. Se é impulsionado pela divisão, devem investigar os sinais que controlam o ciclo celular.

Este trabalho representa uma mudança da ciência baseada em hipóteses para a descoberta baseada em dados. Durante anos, o campo esteve estagnado tentando ajustar observações em modelos pré-existentes. Esta nova ferramenta permite que os dados falem por si mesmos, quantificando a contribuição de cada processo celular sem a necessidade de conhecer as regras do jogo antecipadamente. Ela fornece um mapa claro e imparcial de como a vida se organiza, mostrando que o caminho para um padrão pode ser pavimentado pelo movimento, pela divisão ou por uma combinação de ambos, dependendo inteiramente do contexto biológico específico. À medida que a tecnologia de imagem continua a melhorar, permitindo que os cientistas rastreiem células em três dimensões e em tempo real, este tipo de análise geométrica provavelmente se tornará uma forma padrão de compreender a mecânica oculta da vida, desde os estágios iniciais de um embrião até a progressão de doenças.