Bioluminiscencia: herramienta para el estudio del cáncer y la regeneración celular
M. en C. Verónica Rojo León, Dra. Celina García Meléndrez y Dr. Luis Covarrubias Robles
¿Recuerdas esa frase típica de: “no sigas la luz” o aquella que dice: “siempre hay una la luz al final del túnel”? La luz nos es sumamente atractiva porque es reluciente y cautivadora. En los organismos vivos, la capacidad de producir luz se llama bioluminiscencia (del griego bios que significa vivo y del latín lumen que significa luz); ésta puede ser generada por una reacción química que lleva a cabo una enzima llamada luciferasa, la cual, utilizando luciferina como substrato y en presencia de oxígeno y ATP, libera energía en forma de fotones, es decir, luz.
En la naturaleza, la bioluminiscencia tiene diversas funciones; por ejemplo, ciertos organismos la emplean como un medio de comunicación para atraer a sus presas, como una respuesta a un ataque o como medio de cortejo para atraer a la pareja. Las luciérnagas hembras de la especie Photinus pyralis, en su ritual de apareamiento, emiten luz para atraer a los machos; por el contrario, en otro espectáculo luminoso de la vida marina, los ostrácodos, un pequeño crustáceo, utiliza señales bioluminiscentes para atraer a las hembras. Pero no todo es atracción y cortejo, existen unos gusanos marinos (Swima bombiviridis) conocidos como “bombarderos verdes” (se llaman así porque desprenden de su cuerpo esferas o bombas de luz verde) que utilizan la bioluminiscencia como un mecanismo de defensa para distraer a los depredadores y así poder escapar. Estos son sólo algunos ejemplos, pero existe una gran cantidad de especies como peces, calamares, medusas, camarones y hasta bacterias que también emiten bioluminiscencia.
Si bien en la naturaleza la capacidad para producir luz tiene una función bien definida para algunas especies, ¿por qué es de interés emplear la bioluminiscencia como herramienta de investigación? Históricamente los seres humanos dedicados a la ciencia, han imitado diversos fenómenos de la naturaleza reproduciéndolos en el laboratorio para múltiples fines.
En este caso, los investigadores han aprovechado las bondades que ofrece la bioluminiscencia y han empleado la actividad de la luciferasa como un indicador de la actividad de un gen (gen reportero). Los genes son segmentos de ADN y la mayoría contienen información para elaborar una proteína específica. En otras palabras, un gen es una unidad funcional y física de la herencia que lleva información que determina nuestras características físicas y funcionales. Para poder observar la actividad de un gen y así ayudar a conocer los factores que regulan la producción de una proteína específica dentro de una célula, en un tejido, en un órgano o en el organismo completo, existen diferentes metodologías que permiten detectarla. Por ejemplo, existen proteínas denominadas “reporteras” que pueden emitir fotones en diferentes espectros de luz cuando se exponen a la luz ultravioleta, y de esta forma el investigador puede observarlas a través de un microscopio de fluorescencia. Estas observaciones se limitan a observar una fracción del tejido y comúnmente cuando éste se ha extraído del organismo vivo. Cuando se requiere observar en tiempo real por largos periodos de tiempo en un organismo vivo, la fluorescencia tiene sus limitaciones, especialmente cuando se trata de animales relativamente grandes como los ratones adultos.
Una de las enormes ventajas de la bioluminiscencia es que puede atravesar varias capas de tejidos que, por lo menos actualmente, la fluorescencia difícilmente puede lograr.
En las últimas décadas gracias al desarrollo de las técnicas de biología molecular e ingeniería genética, se pueden generar animales transgénicos que expresan genes reporteros como la luciferasa (comúnmente se usa la de la luciérnaga Photinus pyralis) para informar sobre la activación del gen de interés en un organismo vivo, ya sea bajo condiciones fisiológicas o patológicas. Las aplicaciones donde se ha empleado la bioluminiscencia son: 1. Para seguir el proceso de infección bacteriana o por hongos (por ejemplo, la colonización de bacterias en el intestino); 2. Monitorear el crecimiento de un tumor y su metástasis (propagación de células cancerosas a otros sitios del organismo) in vivo; 3. Evaluar la eficacia de un trasplante de un tejido o el tiempo de rechazo de células trasplantadas en un organismo; 4. Para el desarrollo y descubrimiento de nuevos fármacos y tratamientos farmacológicos en estudios preclínicos, en combinación con los análisis anteriores.
Particularmente, en el Instituto de Biotecnología de la UNAM, en nuestro grupo de trabajo empleamos la bioluminiscencia para seguir la actividad de la vía de señalización llamada Hedgehog, la cual está asociada al crecimiento celular. Para ello contamos con un ratón transgénico llamado Tg(GliLuc), que expresa la luciferasa en asociación con la activación de esta vía de señalización y nos informa, a través de la emisión de luz, sobre el proceso de crecimiento celular en los tejidos donde se expresa. Pero ¿cómo es que vemos la luz en el ratón? Bueno, recordemos que para poder generar luz es necesaria la presencia de luciferina (el substrato). Debido a que los ratones no producen la luciferina como lo hacen las luciérnagas, es necesario suministrarles la luciferina para que el sistema esté completo: luciferasa-luciferina-oxígeno y ATP (en este caso el oxígeno y el ATP se toman de las células). Luego de anestesiar a los ratones, se les coloca en un equipo llamado “In vivo Xtreme” que se encuentra disponible en el Laboratorio Nacional de Microscopia Avanzada, en nuestro Instituto.
La función del equipo es detectar y capturar los fotones emitidos utilizando una cámara para observar la imagen bioluminiscente en el ratón vivo.
Utilizando el ratón Tg(GliLuc) en combinación con otro ratón transgénico llamado Tg(E6/E7) que expresa las proteínas E6 y E7 del virus del papiloma humano (VPH, agente asociado con el desarrollo de cáncer cervical), generado por nuestro grupo de trabajo, hemos logrado el estudio de tres procesos biológicos altamente complejos: la regeneración de la piel lesionada, la renovación del epitelio cervical y el crecimiento tumoral en el cérvix (inducido por las proteínas E6/E7 y la hormona femenina estradiol), simplemente monitoreando la luz emitida en ratones vivos y en tiempo real.
Por otro lado, también hemos valorado el crecimiento tumoral cuando células derivadas de tumores cervicales humanos se trasplantan a ratones inmunodeficientes (Figura 3). En estas condiciones es posible observar el crecimiento del tumor dentro de un contexto vivo que podría reflejar mejor las condiciones de crecimiento en el paciente. Usando ratones transgénicos como el Tg(GliLuc) que detectan vías de señalización u observando el crecimiento tumoral en animales inmunodeficientes, estamos valorando la capacidad de algunos fármacos que potencialmente pudieran servir como anticancerígenos.
Por lo anterior, sin duda alguna la bioluminiscencia es una herramienta poderosa para estudios que involucran la respuesta de todos los sistemas que constituyen un organismo vivo y permite entender mejor la complejidad de todos los procesos que participan, lo cual no se comprende a plenitud analizando solo células en cultivo. Por ello es importante conocerla y aplicarla en la investigación que contribuya a resolver problemas de salud en nuestra población.
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