Revelan mecanismo de picadura de medusa; Podría ayudar a diseñar futuros dispositivos de entrega

Jul 12, 2023

Crédito: Foto de Marat Gilyadzinov en Unsplash

Los bañistas de verano están muy familiarizados con la dolorosa picadura de una medusa. Pero, ¿cómo funcionan realmente las células urticantes de las medusas, los corales y las anémonas de mar? Una nueva investigación del Instituto Stowers para la Investigación Médica ha revelado un modelo operativo preciso para el orgánulo urticante, o nematocisto, de la anémona de mar estrella, Nematostella vectensis. El estudio, encabezado por Ahmet Karabulut, investigador predoctoral en el laboratorio de Matt Gibson, PhD, involucró el uso de técnicas de imágenes microscópicas de vanguardia, junto con el desarrollo de un modelo biofísico para permitir una comprensión integral de un mecanismo que ha permanecido escurridiza durante más de un siglo.

Los investigadores sugieren que las ideas del trabajo podrían ayudar a generar nuevos desarrollos clínicos, incluido el diseño de dispositivos microscópicos de administración terapéutica. "Comprender este complejo mecanismo de picadura puede tener posibles aplicaciones futuras para los humanos", dijo Gibson. "Esto podría conducir al desarrollo de nuevos métodos terapéuticos o de administración dirigida de medicamentos, así como al diseño de dispositivos microscópicos". Gibson y sus colegas informaron sobre su estudio en Nature Communications, en un artículo titulado "La arquitectura y el mecanismo operativo de un orgánulo punzante cnidario".

Los orgánulos punzantes de las medusas, las anémonas de mar y los organismos cnidarios relacionados son "armas celulares notables", que se utilizan tanto para la depredación como para la defensa, escribieron los autores. Los nematocistos consisten en una cápsula presurizada que contiene un hilo enrollado en forma de arpón que libera un cóctel de neurotoxinas. "Cuando se activa, la cápsula se descarga, expulsando su hilo como un arpón que penetra en los objetivos y se alarga rápidamente al volverse del revés en un proceso llamado eversión", explicaron los investigadores. "A nivel celular, la descarga de nematocistos se encuentra entre los procesos mecánicos más rápidos de la naturaleza, y se sabe que se completa en tres milisegundos en el nematocisto de Hydra". De hecho, la fase inicial de la explosión de la cápsula impulsada por la presión y la posterior expulsión del hilo se produce en tan solo 700 nanosegundos.

Estudios previos sugieren que la alta velocidad de descarga del nematocisto es impulsada por la acumulación de presión osmótica dentro de la cápsula, y la pared de la cápsula estirada elásticamente libera energía mediante un poderoso mecanismo similar a un resorte durante la descarga. "Al activarse, pero antes de la descarga, la cápsula se duplica aproximadamente en volumen debido a la rápida entrada de agua", dijeron los autores. "Esto hace que la matriz se hinche osmóticamente y estire la pared de la cápsula. Esta energía se utiliza posteriormente para expulsar el hilo a alta velocidad, que impacta y penetra en el tejido objetivo".

Aunque las características de los nematocistos en diferentes especies de cnidarios varían considerablemente con respecto al tamaño de la cápsula y la morfología del hilo, todos funcionan de manera similar y presentan un túbulo evertible que es impulsado por una eyección explosiva.

El modelo del equipo de Stowers para la función de las células urticantes proporciona nuevos conocimientos cruciales sobre la naturaleza detallada de la arquitectura y el mecanismo de activación extraordinariamente complejos de los nematocistos. Karabulut y Gibson, en colaboración con científicos de los Centros de Tecnología del Instituto Stowers, utilizaron imágenes avanzadas, microscopía electrónica tridimensional y enfoques de eliminación de genes para descubrir que la energía cinética requerida para perforar y envenenar un objetivo involucra tanto la presión osmótica como la energía elástica almacenada. dentro de múltiples subestructuras de nematocistos.

"Utilizamos microscopía de fluorescencia, técnicas de imagen avanzadas y microscopía electrónica 3D combinada con perturbaciones genéticas para comprender la estructura y el mecanismo operativo de los nematocistos", dijo Karabulut.

Utilizando los métodos más avanzados, los investigadores caracterizaron la descarga explosiva y la transformación biomecánica de los nematocistos de N. vectensis durante la cocción, en tres fases distintas. La primera fase es la descarga inicial similar a un proyectil y la penetración del objetivo del hilo densamente enrollado desde la cápsula del nematocisto. Este proceso es impulsado por un cambio en la presión osmótica por la entrada repentina de agua y el estiramiento elástico de la cápsula.

La segunda fase marca la descarga y el alargamiento de la subestructura del eje del hilo, que es impulsada aún más por la liberación de energía elástica a través del proceso de eversión, el mecanismo en el que el eje se vuelve del revés, formando una estructura helicoidal triple para rodear un túbulo interno frágil decorado con púas que contienen un cóctel de toxinas. En la tercera fase, el túbulo comienza su propio proceso de eversión para alargarse en el tejido blando del objetivo, liberando neurotoxinas en el camino.

Toda esta operación de picadura se completa en tan solo unas milésimas de segundo. "La fase más temprana de la activación del nematocisto es extremadamente rápida y difícil de capturar en detalle", dijo Karabulut. Como sucede a veces en la investigación biológica fundamental, el descubrimiento inicial fue un accidente de curiosidad. Karabulut incorporó tinte fluorescente en una anémona de mar para ver cómo se veía cuando se activaban los tentáculos ricos en nematocistos. Después de aplicar una combinación de soluciones para activar la descarga de nematocistos y al mismo tiempo preservar sus delicadas subestructuras en el tiempo y el espacio, descubrió que había capturado por casualidad múltiples nematocistos en diferentes etapas de disparo.

"Bajo el microscopio, vi una instantánea impresionante de descarga de hilos en un tentáculo. Fue como un espectáculo de fuegos artificiales. Me di cuenta de que los nematocistos descargaron parcialmente sus hilos mientras que el reactivo que usé simultáneamente e instantáneamente fijó las muestras", dijo Karabulut. "Pude capturar imágenes que mostraban las transformaciones geométricas del hilo durante la cocción en un proceso bellamente orquestado. Después de un examen más detenido, pudimos comprender completamente las transformaciones geométricas del hilo del nematocisto durante su funcionamiento".

"... este estudio demuestra la capacidad operativa del nematocisto como una micromáquina biológica compleja y autoensamblada", concluyeron los autores. "Proponemos que estos orgánulos antiguos y sofisticados representen un modelo ideal para dispositivos de microescala inspirados biológicamente que podrían utilizarse en diversas aplicaciones que van desde la tecnología médica hasta la ciencia de los materiales".

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