Investigadores crean el primer mapa térmico de un glóbulo rojo que identifica el estado de salud a escala celular

Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado el primer mapa de calor de un glóbulo rojo de la sangre. Se trata de mapeo termodinámico de gran relevancia, ya que permite determinar la potencia de la célula y su rendimiento mecánico como si fuese una máquina térmica.

Se trata de un hallazgo fundamental que abre el camino para determinar en un futuro la salud celular y los tejidos del organismo con implicaciones inmediatas en diagnóstico médico y posibles aplicaciones en medicina celular y cáncer.

El estudio, que acaba de publicarse en la revista "Science", liderado desde las universidades de Barcelona y de Padua (Italia), cuenta con la participación de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) en colaboración con la Unidad de Biofísica Traslacional del Hospital 12 de Octubre de la Comunidad de Madrid, además de las universidades Georg August de Gotinga (Alemania) y Francisco de Vitoria, de Madrid.

“El estudio trasciende a décadas de exploración en biología celular. Se trata del primer mapa microscópico de la energía, entropía y del calor que están siendo producidos por una sola célula en cada momento”, afirma el profesor Francisco Monroy de la UCM, investigador asociado al Instituto de Investigación del Hospital 12 de Octubre i+12 y responsable de los experimentos de calorimetría celular en vivo mediante microscopía de última generación.

"Nuestro objetivo era mapear cómo produce calor una célula en el espacio y en el tiempo, ya que las células, para poder desarrollar sus actividades, necesitan desarrollar fuerza y eso lo hacen consumiendo energía que crean a partir de reacciones químicas en su interior. En esa interacción se produce calor porque esas fuerzas friccionan contra el medio", detalla Monroy.

Así, los investigadores han medido por primera vez el flujo de calor en una célula individual, un proceso conocido en Física como producción de entropía.

La entropía se asocia frecuentemente al desorden y al caos, pero en Biología está íntimamente relacionada con la eficiencia energética, encontrándose en conexión directa con el metabolismo y la regulación, es decir, el conjunto de reacciones químicas que dan soporte a la vida desde el interior de las células, explican los investigadores en un comunicado.

De este modo "una célula sana tendrá un mapa de calor característico, mientras que una célula que está enferma o está en estado de enfermedad pues puede desarrollar unas fuerzas de forma desreguladas y mostrar un mapa con una distribución de calor anormal, patológico, de modo que este mapeado es una forma de identificar el estado de salud en escala celular", explica Monroy.

“Poder caracterizar la producción de entropía en sistemas vivos es crucial para entender la eficiencia de los procesos de conversión de energía”, afirma el profesor Félix Ritort, investigador que ha coordinado esta colaboración desde el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB).

El descubrimiento de estos científicos tiene profundas implicaciones en la comprensión del metabolismo y de la transformación de la energía en los sistemas vivos. “El calor es un síntoma de salud en la célula y nuestro hallazgo podría abrir un nuevo camino para determinar la salud celular y de los tejidos del organismo”, concluye Ritort.

Se han encontrado valores de producción de entropía de 10-15 calorías por segundo.

“Se trata de valores ínfimos para la escala humana, tan pequeños como una milbillonésima parte de una caloría por cada célula. Sin embargo, es una cantidad extraordinaria para una maquinaria celular de tamaño microscópico que actúa en cada instante de manera exquisitamente regulada desde la escala molecular. La investigación constituye un avance fundamental en la física de la célula, entendida como una máquina térmica que procesa energía y produce entropía en intercambio con su propio entorno”, afirma Monroy.

Los investigadores de este consorcio han determinado la producción de entropía mediante la medición de los movimientos activos de glóbulos rojos individuales, denominados de parpadeo, y de las fuerzas mecánicas que los causan desde el interior de la célula y que se encuentran en relación a su enorme adaptabilidad al torrente sanguíneo, particularmente en los pequeños vasos de la circulación capilar, por ejemplo, en la corteza frontal del cerebro humano donde hay una gran demanda de flujo de sangre y nutrientes.

Los autores han utilizado métodos mínimamente invasivos en vivo, tanto de manipulación óptica y uso de sensor óptico de fuerzas (es un dispositivo que utiliza la luz, específicamente un haz de láser, para medir fuerzas diminutas, en este caso las del glóbulo rojo), como de imagen celular resuelta en el tiempo mediante videomicroscopía ultrarrápida con superresolución espacial, técnica en que el grupo de la Universidad Complutense y el Hospital 12 de Octubre es pionero. Y que consiste en un seguimiento fotográfico mediante un aparato que mide el inicio y los eventuales cambios.

“Asistimos al nacimiento de una nueva perspectiva del funcionamiento celular en términos de calor y fuerzas: óptimos y regulados en condiciones fisiológicas de salud, y alterados, desregulados o simplemente disfuncionales en situación de enfermedad. Las aplicaciones del mapeo celular de calor y de la producción de entropía serán inmediatas en el diagnóstico médico, posibilitando nuevos pronósticos cuantitativos y de precisión”, concluye Monroy.