Introdueixen xips com a sensors mecànics dins d'òvuls per mesurar les primeres fases de desenvolupament

Un equip científic liderat per científics del CSIC a l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) ha fabricat i introduït xips dins de cèl·lules vives, per detectar els canvis mecànics que es produeixen en les etapes primerenques de el desenvolupament. El xip funciona com a sensor mecànic i és extremadament minúscul: mesura tot just 22 per 10,5 micròmetres i té un gruix de 25 nanòmetres. Té una longitud 3 vegades més petita que el diàmetre d'un cabell humà, i un gruix tres vegades menor que el d'un virus com el SARS-CoV-2.

El treball está coliderat per José Antonio Plaza, investigador del CSIC a l'IMB-CNM, on dirigeix el Grup de Micro i nanoeines. Els dispositius han estat fabricats a la Sala Blanca de l'IMB-CNM del CSIC. La investigació, que es publica avui a la revista Nature Materials, s'ha realitzat imtegramente amb finançament públic de el Pla Nacional d'I+D+i.

Etapes primerenques de la fertilització
Els científics han injectat el xip juntament amb un espermatozoide a l'interior d'un òvul de ratolí, per estudiar les etapes primerenques de la fertilització. Ho han fet en el Laboratori d'Embriologia Molecular de Mamífers de la Universitat de Bath (Regne Unit), l'equip dirigit per Anthony C. F. Perry, que codirigeix ​​el treball juntament amb Plaza.

Amb el xip dins, han pogut mesurar les forces que reorganitzen l'interior de l'òvul, és a dir, el seu citoplasma, des que s'introdueix l'espermatozoide fins que es divideix en dues cèl·lules. "Fent un símil amb el ball, l'embrió realitza una coreografia de moviments durant el seu desenvolupament i hem vist que no només el moviment és important sinó també la intensitat de la mateixa", comenta José Antonio Plaza.

Com es fa aquesta mesura? "Nosaltres veiem a través de microscòpia com el xip es doblega a l'interior de la cèl·lula", explica J.A Plaza. "Atès que coneixem perfectament quina força cal aplicar perquè es doblegui el dispositiu d'una determinada manera, i ho hem modelitzat, visualitzar la curvatura ens permet inferir quines forces mecàniques s'estan donant a l'interior de la cèl·lula".

La investigació, que s'explica en aquest VIDEO, és innovadora perquè la detecció d'aquestes forces s'ha realitzat de manera directa, és a dir, des de l'interior de l'embrió i al llarg de tot el procés inicial de fertilització. "Gairebé tots els treballs realitzats fins a la data usen eines externes, obtenint una mesura indirecta i si ho fan des de l'interior és d'una forma molt local i no descriuen la reorganització del citoplasma", explica Marta Duch, primera autora del treball.

Així, els científics han fet una mesura preliminar de les forces que s'obtenen en la reprogramació de l'ADN de l'espermatozoide, cosa que passa just després de la injecció de l'espermatozoide. "I, tot i que és molt difícil de comparar, hem vist que aquestes forces són més grans que les que altres grups han mesurat en cèl·lules musculars", explica José Antonio Plaza.

També han observat que l'efecte de la membrana de l'embrió, que és més rígida que el seu interior, és la responsable que els pronuclis (nuclis que transporten el material genètic de la femella i de el mascle) convergeixin al centre de l'embrió per fusionar-se. Durant la fusió, no han detectat forces. Això podria ser així, diuen els científics, perquè d'aquesta manera es facilita la reorganització dels cromosomes.

La següent etapa és la divisió de la primera cèl·lula en dos. Aquí, els científics han vist canvis en la rigidesa del citoplasma. "En aquest moment, els nostres xips revelen que el citoplasma es fa més rígid, fet que facilitaria la transmissió de les forces dins de l'embrió per aconseguir elongar". Aquesta elongació és necessària per a la posterior divisió en dues cèl·lules. Després, en el moment en què la cèl·lula es divideix en dos, el citoplasma és menys rígid, possiblement per facilitar la divisió.

Aquest treball de recerca bàsica és un treball conceptual, un "proof of concept", que demostra la viabilitat d'aquest sensor mecànic a l'interior d'una cèl·lula. Se sap que les forces mecàniques que es donen en la cèl·lula tenen importants implicacions biològiques, però no fins ara no s’havia pogut mesurar durant tot el procés inicial de fertilització fins ara ni de forma detallada.

També, una altra gran contribució de la feina és l'estudi fonamental dels primers estadis del procés de fertilització. En aquest sentit, s'ha comprovat en aquest treball que la mecànica de l'embrió de ratolí en la seva fase inicial és similar a la mecànica dels embrions humans. Per tant, aquest treball pot tenir interès futur per a medicina de fertilització, però també per a l'estudi de malalties relacionades amb algun problema de malformació en els processos inicials de formació de l'embrió.

En l'estudi també han participat el Departament d'Electrònica i Tecnologia de Computadores de la Universitat de Granada i el Departament de Mecànica de Fluids de la Universitat Politècnica de Catalunya.

Material adicional: Vídeo - Chips como sensores mecánicos dentro de óvulos para medir las primeras fases de desarrollo

Article de referència:

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.