RegenLab
Biología celular

Investigación de las métricas de potencia de las CMM (células madre mesenquimales) mediante la integración de modalidades de imagen con el análisis lipidómico

2024-08-17

Título:
Investigation of MSC Potency Metrics via Integration of Imaging Modalities with Lipidomic Characterization
Investigación de las métricas de potencia de las CMM mediante la integración de métodos

Nombre de la revista y año de publicación:
Cell Reports, 2024

Primer y último autor:
Priyanka Priyadarshani, Luke J. Mortensen

Primera afiliación:
School of Chemical, Materials, and Biomedical Engineering, University of Georgia, Athens, GA, USA

Resumen:
En este estudio se analizaron los perfiles morfológico y lipidómico de las CMM a nivel de célula única y se reveló que estas características pueden distinguir subpoblaciones funcionales de CMM inducidas por estimulación inmunitaria. Utilizando microscopía DPC y técnicas de MALDI-MSI, los autores exploraron la asociación entre los cambios morfológicos y la activación de clases lipídicas específicas, lo que indica que esto podría contribuir a la optimización del proceso de fabricación de las CMM.

Antecedentes:
Dado que las CMM (células madre mesenquimales) tienen efectos inmunosupresores, son prometedoras en la medicina regenerativa; sin embargo, su eficacia varía según los diferentes donantes y las etapas de proliferación celular. Este estudio tuvo como objetivo comprender la heterogeneidad funcional a nivel de célula única y mejorar la aplicación clínica evaluando de forma integrada la morfología y los perfiles lipidómicos de las CMM.

Métodos:
Utilizando microscopía de contraste de fase diferencial (DPC) sin marcaje y MALDI-MSI, los autores adquirieron simultáneamente la morfología y los perfiles lipidómicos de las CMM. Compararon los cambios morfológicos y lipidómicos entre las CMM estimuladas con IFN-γ y los controles no tratados.

Resultados:
En las CMM estimuladas con IFN-γ se observaron fuertes correlaciones entre características morfológicas específicas (p. ej., compacidad, perímetro, longitud del eje principal) y lípidos (en particular PC, LysoPC, TAG, etc.). Estas características pueden servir como métricas para identificar subpoblaciones funcionales de CMM.

Discusión:
Este estudio mostró que la morfología y la lipidómica de las CMM pueden utilizarse potencialmente para identificar subpoblaciones funcionales. Se espera que esto mejore el proceso de fabricación de las CMM en la medicina regenerativa.

Novedad en comparación con estudios previos:
Este estudio realizó un análisis integrado de la morfología y la lipidómica a nivel de célula única y demostró que se trata de un nuevo método para esclarecer la heterogeneidad funcional de las CMM.

Limitaciones:
Una limitación de este estudio es que el número de lípidos detectables es limitado porque la señal de la lipidómica de célula única es baja. Además, dado que se requieren grandes conjuntos de datos, se necesitan más investigaciones.

Aplicaciones potenciales:
Este método podría aplicarse a la identificación de subpoblaciones funcionales de CMM y a la optimización del proceso de fabricación.

Información complementaria:
Con Readable se puede traducir el PDF de un artículo a otro idioma conservando su maquetación. También es un servicio favorito de Daichi Konno, el creador de Paper Interpreter. Al introducir el código de cupón “PaperInterpreter” se puede obtener una prueba gratuita de un mes, así que pruébelo 😊

Q&A:

Q: ¿Cómo se analizaron los lípidos de célula única?
A: El análisis de lípidos de célula única se realizó con los siguientes métodos.

  1. MALDI-MSI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging):
    Utilizando la tecnología MALDI-MSI, se obtuvieron los perfiles lipídicos de las CMM a nivel de célula única. En esta técnica, las CMM se sembraron sobre portaobjetos recubiertos de óxido de indio y estaño (ITO), y se comparó un grupo estimulado con IFN-γ con un grupo de control no tratado. En MALDI-MSI, se extrajeron de los datos espectrales los picos lipídicos correspondientes a valores de m/z específicos y se generaron imágenes.
  2. Corregistro (co-registration):
    Las imágenes morfológicas obtenidas con microscopía DPC y las imágenes lipídicas obtenidas con MALDI-MSI se integraron, y se realizó un corregistro para asociar la morfología y el perfil lipídico de cada célula. En este proceso, las características morfológicas se emparejaron con los picos lipídicos.
  3. Análisis estadístico:
    Para identificar los lípidos expresados diferencialmente en los perfiles lipídicos obtenidos, se realizaron un análisis de componentes principales (PCA) y un análisis de regresión logística. Además, también se utilizaron resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier de alta resolución (FTICR) y cromatografía líquida de ultra-alto rendimiento acoplada a espectrometría de masas en tándem (UHPLC-MS/MS) para la identificación precisa de la masa de los espectros.

Mediante este enfoque se revelaron los cambios en el perfil lipídico de las CMM inducidos por la estimulación con IFN-γ a nivel de célula única.

Q: ¿Qué es MALDI-MSI?
A: MALDI-MSI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging) es una técnica que utiliza un espectrómetro de masas para visualizar la distribución espacial dentro de una muestra biológica. En concreto, se realiza en los siguientes pasos.

  1. Preparación de la muestra:
    La muestra (generalmente tejido o células cortados en secciones finas) se coloca sobre un sustrato especial (p. ej., un portaobjetos recubierto de óxido de indio y estaño). A continuación, un compuesto llamado matriz se recubre de forma uniforme sobre la superficie de la muestra. Esta matriz cumple la función de facilitar la absorción de la energía de la luz láser.
  2. Irradiación con láser:
    La matriz sobre la muestra se irradia con un láser, y esa energía provoca que se liberen iones de la superficie de la muestra. Este proceso se denomina “desorción” (desorption).
  3. Ionización:
    Las moléculas liberadas se ionizan, quedando en un estado detectable por el espectrómetro de masas. Esto se denomina “ionización” (ionization).
  4. Análisis de masas:
    Las moléculas ionizadas se conducen al espectrómetro de masas, se separan en función de la relación masa-carga (m/z) y se detectan. Así se obtienen los espectros de masas de los diversos compuestos de la muestra.
  5. Generación de imágenes:
    En MALDI-MSI se adquieren espectros de masas en cada posición de la muestra y, a partir de esos datos, se genera la imagen de la distribución espacial de los compuestos. Esto permite confirmar visualmente cómo se distribuyen determinadas especies moleculares dentro de la muestra.

MALDI-MSI se utiliza ampliamente para analizar en detalle la estructura y las propiedades químicas de tejidos y células biológicos, y es especialmente adecuado para revelar la distribución espacial de moléculas como lípidos y proteínas.

Q: ¿Cuántos tipos de lípidos se identificaron?
A: El análisis por MALDI-MSI identificó un total de 54 picos lipídicos específicos. De ellos, entre las CMM estimuladas con IFN-γ y las células de control no tratadas, 20 lípidos fueron significativamente más abundantes en las células estimuladas con IFN-γ, y 6 lípidos fueron significativamente más abundantes en las células de control. Los 26 lípidos restantes no mostraron ningún cambio significativo entre los dos grupos.

Q: ¿54 tipos es un número pequeño?
A: Cincuenta y cuatro tipos de lípidos generalmente no son pocos en el análisis por MALDI-MSI a nivel de célula única, pero, según los avances tecnológicos y las condiciones de análisis, también es posible identificar aún más lípidos.

En el análisis de célula única por MALDI-MSI, debido a que la intensidad de la señal de la espectrometría de masas es baja, el número de lípidos detectables puede estar limitado. En el análisis de célula única en particular, dado que la cantidad de material que se obtiene de la muestra es muy pequeña, se necesita una medición de alta sensibilidad para identificar más lípidos.

Por esta razón, el número de 54 tipos se considera un número razonable para el análisis de célula única por MALDI-MSI, pero con el progreso tecnológico futuro y la combinación con otros métodos analíticos complementarios (p. ej., cromatografía líquida de ultra-alto rendimiento acoplada a espectrometría de masas en tándem (UHPLC-MS/MS)), podría ser posible identificar aún más lípidos.

Q: ¿Por qué se utilizó IFN-γ para la estimulación?
A: La razón para estimular con IFN-γ (interferón gamma) es investigar la respuesta inmunitaria de las CMM (células madre/estromales mesenquimales). En concreto, existen las siguientes razones.

  1. Promoción de la respuesta inmunitaria:
    El IFN-γ es una citocina que desempeña un papel importante en el sistema inmunitario y tiene un fuerte efecto estimulador sobre muchas células, incluidas las CMM. Al estimular las CMM con IFN-γ, las CMM ejercen más fácilmente funciones inmunosupresoras e inmunomoduladoras, y se pueden examinar en detalle las respuestas y los cambios celulares en ese momento.
  2. Esclarecimiento de la heterogeneidad funcional:
    Las CMM pueden mostrar diferentes respuestas inmunitarias según el donante y las condiciones de cultivo. Al estimular con IFN-γ se pueden observar los cambios en los lípidos y la morfología relacionados con la función inmunosupresora de las CMM, y revelar las diferencias funcionales entre diferentes subpoblaciones.
  3. Mejora de la aplicación clínica:
    El “priming” (pretratamiento) de las CMM con IFN-γ se utiliza como estrategia para aumentar la eficacia terapéutica en la clínica. Comprender la respuesta celular a la estimulación puede ayudar al control de calidad y a la optimización del proceso de fabricación de las CMM.

De este modo, la estimulación con IFN-γ es un paso importante en la investigación que evalúa la respuesta inmunitaria de las CMM y aumenta la eficacia de las CMM en la medicina regenerativa y la inmunoterapia.

Q: En concreto, ¿qué tipos de lípidos estaban aumentados?
A: En las CMM estimuladas con IFN-γ se confirmó que los siguientes lípidos estaban aumentados.

  1. Ceramide-1-phosphate (C1P):
  1. Phosphatidylcholine (PC):
  1. Lysophosphatidylcholine (LysoPC):
  1. Triglyceride (TAG):

Estos lípidos desempeñan funciones relacionadas con la función inmunitaria y la estructura de la membrana celular en las CMM estimuladas con IFN-γ, y se ha confirmado que aumentan especialmente cuando se intensifica la respuesta inmunitaria. Se considera que el aumento de estos lípidos afecta a la función inmunosupresora y a la morfología celular de las CMM.

Q: ¿Cuál es la relación entre estos lípidos y la respuesta inmunitaria?
A: Los lípidos aumentados en las CMM estimuladas con IFN-γ incluyen aquellos que desempeñan papeles importantes en la respuesta inmunitaria. A continuación se explica la relevancia de cada lípido en la respuesta inmunitaria.

  1. Ceramide-1-phosphate (C1P):
  1. Phosphatidylcholine (PC):
  1. Lysophosphatidylcholine (LysoPC):
  1. Triglyceride (TAG):

Q: ¿Cómo afectan estos lípidos a las células inmunitarias? ¿Se captan los lípidos? ¿Estimulan los receptores?
A: Estos lípidos afectan a las células inmunitarias a través de diversos mecanismos. A continuación se explican los mecanismos concretos por los que cada lípido afecta a las células inmunitarias.

  1. Liberación de lípidos y estimulación de receptores:
    Los lípidos secretados por las CMM se liberan principalmente a través de pequeñas vesículas extracelulares (EV) llamadas exosomas y microvesículas. Estas vesículas contienen lípidos, proteínas, ARN, etc., y pueden interactuar con otras células.
  1. Captación directa de lípidos:
    Los lípidos liberados por las CMM también son captados a veces directamente por las células inmunitarias. Esta captación incluye procesos en los que los lípidos se incorporan como parte de la membrana celular o se utilizan como fuente de energía.
  1. Cambios indirectos en la transducción de señales:
    Los efectos de los lípidos también pueden ejercerse de forma indirecta a través de cambios en la transducción de señales dentro y fuera de las células inmunitarias.

Q: ¿La interpretación es que los lípidos son secretados por las CMM?
A: No, la explicación anterior resultaba algo engañosa. Si bien hay casos en los que los lípidos se secretan desde las CMM como exosomas o vesículas, los lípidos mencionados en este estudio funcionan principalmente como la propia membrana celular de las CMM o como metabolitos internos.

Interpretación precisa:
El papel de los lípidos en este estudio se relaciona principalmente con la función y la morfología de las propias CMM. En concreto, se considera que las CMM afectan a la respuesta inmunitaria a través de los siguientes procesos.

  1. Cambios en la composición y la función de la membrana celular de las CMM:
  1. Ajuste de las sustancias secretadas por las CMM:
  1. Interacción directa entre las CMM y las células inmunitarias:

Resumen:
El papel de los lípidos en este estudio es que las CMM utilizan los lípidos de su propia membrana celular e interior para inducir cambios relacionados con la función inmunitaria, y que esto en última instancia afecta a la función inmunomoduladora que las CMM ejercen sobre las células inmunitarias. Por lo tanto, estos lípidos afectan principalmente a la función de las propias CMM y desempeñan un papel importante cuando las CMM interactúan con las células inmunitarias.