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La ciencia del limo
Katharina Ribbeck ha escuchado todas las bromas sobre flemas, mocos y loogie del libro. Pero su investigación sobre la mucosidad revela que es una maravilla de la ingeniería y una línea crítica de defensa en el sistema inmunológico. 19 de diciembre de 2018
Moco. Mocosos. Flema. La sustancia pegajosa que gotea de la nariz cuando tienes un resfriado. No importa cómo lo llames, la mucosidad tiene una mala reputación como un producto de desecho desagradable, un signo de enfermedad.
Pero a pesar de su alto factor de ick, la sustancia viscosa realiza una notable variedad de funciones vitales. Después de todo, recubre más de 200 metros cuadrados de nuestro cuerpo, desde la boca hasta el sistema digestivo, el tracto urinario, los pulmones, los ojos y el cuello uterino. Lubrica e hidrata, nos permite tragar, determina lo que saboreamos y olemos, y filtra selectivamente nutrientes, toxinas y células vivas como bacterias, espermatozoides y hongos. Es una barrera realmente sorprendente, dice Katharina Ribbeck, profesora asociada de ingeniería biológica. Nos permite integrar nutrientes; nos protege de los patógenos. También es un gran obstáculo para la entrega de medicamentos. Pero no tenemos idea de cómo funciona.
Ribbeck y sus alumnos quieren cambiar eso. Al estudiar este hidrogel pegajoso, espera idear nuevas formas de diagnosticar y tratar enfermedades humanas. Hay mucha información sobre nuestra salud en la mucosidad, dice ella. Nuestro objetivo para los próximos dos años es aprovechar esta fuente infrautilizada de bioinformación y utilizarla.
Un campeón para la mucosidad
Ribbeck inicialmente no tenía la intención de centrar su investigación en la mucosidad. En la Universidad de Heidelberg en Alemania, estudió biología y bioquímica, y en su último año fue a la Universidad de California en San Diego para trabajar en su tesis de diploma en neurobiología. Cuando regresó a Heidelberg para la escuela de posgrado, comenzó a estudiar la biología del poro nuclear, un canal que regula la comunicación entre el núcleo de una célula y el resto de la célula.
La mucosidad, dice, nunca estuvo en mi radar en la escuela de posgrado. Pero al igual que la mucosidad, los poros nucleares también actúan como barreras selectivas: permiten el paso de algunas partículas mientras bloquean otras.
Después de terminar su doctorado, Ribbeck planeó iniciar un grupo de investigación en Alemania, continuando con sus estudios sobre el poro nuclear. Pero luego, un amigo de la Escuela de Medicina de Harvard le sugirió que pasara un año trabajando en su laboratorio. Son las cosas que no haces las que lamentas, dice ella. Así que decidí ir allí, anticipando un año interesante pero que no cambiaría realmente mi vida.
Mientras pasaba el 2007 como científico visitante allí, Ribbeck se enteró de una beca de Harvard que proporcionaría un laboratorio, financiación inicial y estatus como investigador independiente. ¿La captura? Los solicitantes tenían que proponer comenzar un nuevo campo de estudio.
La mucosidad no estaba bien estudiada en ese momento, pero se sabía que desempeñaba un papel clave en el mantenimiento de la salud. Ribbeck defendió la creación de un laboratorio de mucosidad y obtuvo la beca.
Al principio de su tiempo en Harvard, se dio cuenta de que el estudio de la mucosidad se beneficiaría de la experiencia y las herramientas que se estaban desarrollando en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, en ciencia e ingeniería de tejidos, microfluidos y más. Se unió a la facultad en 2010 y obtuvo la titularidad en 2017.
Inmediatamente me impresionó la vigorosa chispa de creatividad que expresó Katharina, dice Douglas Lauffenburger, jefe del departamento. El tema de sus intereses de investigación al principio parecía bastante peculiar, pero su articulación de su amplia importancia en microbiología y medicina, y su objetivo de comprenderlo fundamentalmente de manera que pudiera conducir al diseño de tecnologías valiosas, fue profundamente convincente.
Evitar la infección
Entre los fenómenos que Ribbeck ha investigado está que la mucosidad tiene mucho éxito en domesticar microbios normalmente patógenos. Hasta hace poco, los científicos pensaban que esto se debía simplemente a que actuaba como una barrera mecánica, atrapando bacterias y otros patógenos. Sin embargo, el trabajo de Ribbeck ha demostrado que la mucosidad juega un papel mucho más matizado.
Los principales bloques de construcción de la mucosidad son las mucinas, proteínas largas similares a cepillos de botellas con muchas moléculas de azúcar llamadas glicanos adheridas. Y las mucinas, descubrió Ribbeck, en realidad interrumpen muchas funciones clave de las bacterias infecciosas. En presencia de mucinas, los rasgos que hacen que estos patógenos sean virulentos se regulan significativamente a la baja, dice ella. Eso incluye la secreción de toxinas, la capacidad de charlar entre ellos y la capacidad de adherirse a las superficies celulares.
Con esos poderes cortados, las bacterias ya no pueden colonizar una superficie para formar capas viscosas persistentes llamadas biopelículas, que tienden a ser más dañinas que las células individualmente: pueden causar una amplia gama de problemas de salud, incluidas las caries dentales y las úlceras. y puede resultar fatal para las personas con fibrosis quística.
El laboratorio de Ribbeck descubrió esto al purificar la mucosidad del estómago de un cerdo para aislar una mucina llamada MUC5AC, que está relacionada con la que se encuentra en el tracto respiratorio y el estómago humanos. Luego, los investigadores crearon matrices tridimensionales con y sin la mucina e insertaron bacterias infecciosas llamadas P. aeruginosa en ambos. Las bacterias en la matriz sin MUC5AC se adhirieron a la superficie de la matriz, formando biopelículas densas. En la matriz MUC5AC no se formaron biopelículas. Pero cuando los investigadores eliminaron un gen en la bacteria que les permitía seguir moviéndose, encontraron algo interesante: las bacterias infecciosas en la matriz MUC5AC se agruparon, imitando el material que se acumula para producir moco anormalmente espeso en la fibrosis quística. Ribbeck descubrió que eso significaba que, si bien la mucina atrapa cosas como el polvo y otras partículas inhaladas, en el caso de las bacterias hace lo contrario, manteniéndolas en movimiento para que no puedan formar biopelículas. Su grupo descubrió que lo mismo ocurría con otros tipos de microbios, incluidos cándida .
La investigación de Ribbeck también reveló que los glicanos, las moléculas de azúcar complejas en la mucina, son la clave de su capacidad para frustrar los patógenos. Se había asumido que su función principal era hacer que los polímeros de mucina se endurecieran, y su laboratorio y otros habían aislado glicanos para contar cuántos tipos distintos había. Resulta que las mucinas contienen cientos de glicanos diferentes. Pero más allá de contarlos, Ribbeck también comparó los glicanos en la mucina en diferentes partes del cuerpo y comenzó a investigar lo que realmente hacen. Al comparar mucinas naturales con mucinas a las que se les quitaron los glicanos, descubrió que estos azúcares son esenciales para la capacidad de las mucinas para repeler bacterias y evitar que se adhieran a las superficies. Inicialmente sorprendida por este hallazgo, se dio cuenta de que los glicanos en la leche humana realizan una función similar, ayudando a los bebés a mantenerse saludables al actuar como receptores solubles que esencialmente distraen a los patógenos ingeridos, evitando que se adhieran donde podrían causar una infección. En cierto modo, dice, la mucosidad es como la leche materna para los adultos.
Ribbeck ahora está investigando las funciones específicas de los cientos de glucanos que han evolucionado para interactuar con diferentes patógenos y desactivarlos de diversas maneras. Ella piensa que las mucinas contienen una vasta biblioteca de diferentes moléculas que están listas para ser analizadas para interactuar con cualquier microbio, ya sean virus, bacterias, hongos o parásitos. Imagina lo hermoso que es eso, dice ella.
Los ingenieros han estado interesados durante mucho tiempo en diseñar materiales que imiten la mucosidad, en gran parte por sus capacidades de lubricación. Sin embargo, los rasgos antimicrobianos intrigantes que el laboratorio de Ribbeck ha descubierto han llevado a muchos investigadores a comenzar a trabajar en versiones sintéticas de mucinas para su posible uso en el tratamiento o la prevención de enfermedades infecciosas. Algunos estudios preliminares del laboratorio de Ribbeck sugieren que las mucinas pueden tratar eficazmente las heridas infectadas con bacterias resistentes a los antibióticos tradicionales.
Una herramienta de diagnóstico
El laboratorio de Ribbeck también está analizando cómo la pegajosidad y otros biofísicos las propiedades del moco cambian durante la enfermedad , que podría ayudar a los investigadores a descubrir biomarcadores que podrían usarse para diagnosticar muchas enfermedades diferentes. En los últimos años, ha publicado estudios que muestran que los cambios en el moco cervical de las mujeres embarazadas pueden revelar su riesgo de tener un parto prematuro.
Más del 10 % de los bebés que nacen en todo el mundo llegan antes del término completo, definido como 37 semanas de gestación, pero no había una forma confiable de predecir el trabajo de parto prematuro. Con la esperanza de encontrar un predictor útil, Ribbeck analizó las propiedades químicas y mecánicas del moco cervical. Ella descubrió que la mucosidad de las mujeres con alto riesgo de parto prematuro es mecánicamente más débil, más elástica, más permeable y menos adhesiva. El parto prematuro puede ocurrir porque el moco cervical es más susceptible a la invasión de microbios que pueden causar infección.
Otras condiciones que alteran la mucosidad incluyen enfermedades digestivas como la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa, así como enfermedades respiratorias. El santo grial de los diagnósticos, dice Ribbeck, es vincular los cambios en la composición de la saliva con enfermedades que afectan las superficies mucosas de todo el cuerpo.
Si tiene una producción de moco aberrante en la boca, existe la posibilidad de que esto sea cierto para otras partes del cuerpo, dice ella. Entonces, podríamos detectar, a partir de la saliva, enfermedades de superficies mucosas remotas. Eso será muy emocionante porque, por supuesto, no es invasivo pero es informativo.
Grossología 101
Ribbeck dice que su investigación es un tema de interés natural para los niños, que ella aprovecha para entusiasmarlos con la ciencia. En las sesiones de verano de Grossology que se ofrecen en el Museo de Ciencias de Boston, ella y sus alumnos enseñan a los estudiantes de primaria y secundaria cómo hacer redes de polímeros, utilizando limo como material de elección. Los niños también aprenden sobre las propiedades únicas de barrera de la mucosidad y por qué se siente tan viscosa.
La intención aquí es realmente introducir un campo a las generaciones venideras, para que crezcan entendiendo que la mucosidad no es un producto de desecho. Es una parte integral de nuestra fisiología y una parte muy importante de nuestra salud, dice ella.
También está trabajando en un libro para niños protagonizado por un personaje que cambia de forma hecho de moco, destacando los muchos roles que desempeña en nuestros cuerpos.
Los niños están realmente fascinados por la mucosidad, y creo que parte de esa fascinación podría no desaparecer para los adultos, dice Ribbeck. La otra cosa que lo hace intrigante para tanta gente, incluyéndome a mí, es un elemento de sorpresa cuando encuentras piezas de ingeniería tan exquisitas y elegantes en algo tan común como la mucosidad.