Científicos del CSIC, en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), y de la Universidad de Bath crean e introducen estos dispositivos en óvulos. El chip funciona como sensor mecánico y es extremadamente minúsculo: tiene una longitud tres veces más pequeña que el diámetro de un cabello humano y un grosor tres veces menor que el de un virus como el SARS-CoV-2. El trabajo, publicado en Nature Materials, mide las fuerzas que reorganizan el interior del óvulo desde que se introduce el espermatozoide hasta que el embrión se divide en dos células.
Un equipo científico liderado por científicos del CSIC en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) ha fabricado e introducido chips dentro de células vivas, para detectar los cambios mecánicos que se producen en las etapas tempranas del desarrollo. El chip funciona como sensor mecánico y es extremadamente minúsculo: mide apenas 22 por 10,5 micrómetros y tiene un grosor de 25 nanómetros. Tiene una longitud 3 veces más pequeña que el diámetro de un cabello humano, y un grosor tres veces menor que el de un virus como el SARS-CoV-2.
El trabajo está coliderado por José Antonio Plaza, investigador del CSIC en el IMB-CNM, donde dirige Grupo de Micro y Nanoherramientas. Los dispositivos han sido fabricados en la Sala Blanca del IMB-CNM. La investigación, que acaba de ser publicada en la revista Nature Materials, se ha realizado integramente con financiación pública del Plan Nacional de I+D+i.
Etapas tempranas de la fertilización
Los científicos han inyectado el chip junto con un espermatozoide en el interior de un óvulo de ratón, para estudiar las etapas tempranas de la fertilización. Lo han hecho en el Laboratorio de Embriología Molecular de Mamíferos de la Universidad de Bath (Reino Unido), el equipo dirigido por Anthony C. F. Perry, que co-dirige el trabajo junto a Plaza.
Con el chip dentro, han podido medir las fuerzas que reorganizan el interior del óvulo, es decir, su citoplasma, desde que se introduce el espermatozoide hasta que se divide en dos células. “Haciendo un símil con el baile, el embrión realiza una coreografía de movimientos durante su desarrollo y hemos visto que no sólo el movimiento es importante sino también la intensidad del mismo”, comenta José Antonio Plaza.
¿Cómo se realiza esa medida? “Nosotros vemos a través de microscopia cómo el chip se dobla en el interior de la célula”, explica J.A Plaza. “Dado que conocemos perfectamente qué fuerza hay que aplicar para que se doble el dispositivo de una determinada manera, y lo hemos modelizado, visualizar la curvatura nos permite inferir qué fuerzas mecánicas se están dando en el interior de la célula”.
La investigación, que se explica en este VIDEO, es novedosa porque la detección de estas fuerzas se ha realizado de manera directa, esto es, desde el interior del embrión y a lo largo de todo el proceso inicial de fertilización. “Casi todos los trabajos realizados hasta la fecha usan herramientas externas, obteniendo una medida indirecta y si lo hacen desde el interior es de una forma muy local y no describen la reorganización del citoplasma”, explica Marta Duch, primera autora del artículo.
Así, los científicos han hecho una medida preliminar de las fuerzas que se obtienen en la reprogramación del ADN del espermatozoide, algo que sucede justo tras la inyección del espermatozoide. “Y, aunque es muy difícil de comparar, hemos visto que estas fuerzas son mayores que las que otros grupos han medido en células musculares”, explica José Antonio Plaza.
También han observado que el efecto de la membrana del embrión, que es más rígida que su interior, es la responsable de que los pronúcleos (núcleos que transportan el material genético de la hembra y del macho) converjan en el centro del embrión para fusionarse. Durante la fusión, no han detectado fuerzas. Esto podría ser así, dicen los científicos, porque de esa forma se facilita la reorganización de los cromosomas.
La siguiente etapa es la división de la primera celula en dos. Aquí, los científicos han visto cambios en la rigidez del citoplasma. “En este momento, nuestros chips revelan que el citoplasma se hace más rígido, hecho que facilitaría la transmisión de las fuerzas dentro del embrión para conseguir elongarse”. Esta elongación es necesaria para la posterior división en dos células. Después, en el momento en que la célula se divide en dos, el citoplasma es menos rígido, posiblemente para facilitar la división.
Este trabajo de investigación básica es un trabajo conceptual, un “proof of concept”, que demuestra la viabilidad de este sensor mecánico en el interior de una célula. Se sabe que las fuerzas mecánicas que se dan en la célula tienen importantes implicaciones biológicas, pero no era algo que se hubiera podido medir durante todo el proceso inicial de fertilización hasta la fecha y de forma detallada.
También, otra gran contribución del trabajo es el estudio fundamental de los primeros estadios del proceso de fertilización. En este sentido, se ha comprobado en este trabajo que la mecánica del embrión de ratón en su fase inicial es similar a la mecánica de los embriones humanos. Por tanto, este trabajo puede tener interés futuro para medicina de fertilización, pero también para el estudio de enfermedades relacionadas con algún problema de malformación en los procesos iniciales de formación del embrión.
En el estudio también han participado el Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores de la Universidad de Granada y el Departamento de Mecánica de Fluidos de la Universitat Politècnica de Catalunya.
Material adicional: Vídeo – Chips como sensores mecánicos dentro de óvulos para medir las primeras fases de desarrollo
Artículo de referencia: Marta Duch, Núria Torras, Maki Asami, Toru Suzuki, María Isabel Arjona, Rodrigo Gómez-Martínez, Matthew D. VerMilye, Robert Castilla, José Antonio Plaza & Anthony C. F. Perry. Tracking intracellular forces and mechanical property changes in mouse one-cell embryo development. Nature Materials.
Fuente: CSIC (IMB-CNM)
Foto1: Uno de los chips en un óvulo. Imagen: IMB-CNM-CSIC / Universidad de Bath