Las células de riñón canino Madin-Darby ( MDCK ) son una línea celular modelo de mamíferos que se utiliza en la investigación biomédica. Las células MDCK se utilizan para una amplia variedad de estudios de biología celular, incluidos la polaridad celular , las adhesiones entre células (denominadas uniones adherentes ), la motilidad celular colectiva, los estudios de toxicidad [1] , así como las respuestas a los factores de crecimiento. Es uno de los pocos modelos de cultivo celular que es adecuado para el cultivo celular en 3D y los reordenamientos multicelulares conocidos como morfogénesis ramificada. [2]
Tras el aislamiento inicial en 1958 de células epiteliales del túbulo renal de un perro Cocker Spaniel adulto por Stewart H. Madin y Norman B. Darby, Jr., [3] la línea celular que lleva su nombre se empleó principalmente como modelo para la infección viral de células de mamíferos. [4] [5] [6] De hecho, eligieron aislar los túbulos renales precisamente con este objetivo en mente, ya que anteriormente habían tenido éxito con la infección viral de células derivadas de túbulos renales de otros mamíferos. [7] Por lo tanto, el objetivo inicial en el aislamiento y cultivo de células de este tejido no era generar un nuevo sistema modelo para la biología de células epiteliales. No fue hasta 1970 que el laboratorio de Zbynek Brada publicó un trabajo que describía las células MDCK como una línea celular representativa que presenta características distintivas de las células epiteliales del túbulo renal. [8] Basaron esta conclusión en las actividades de transporte de fluidos de las monocapas formadas por células MDCK, la presencia de microvellosidades en su superficie apical (superior) y su capacidad de autoorganizarse, cuando se cultivan en 3D, en esferas huecas. En su informe, los autores especularon que la "expresión histotípica" por la que las células MDCK formaban estructuras que recordaban a su tejido de origen podría aplicarse fructíferamente al estudio de otros tejidos. Las décadas siguientes les han dado la razón en gran medida, aunque el repertorio para estudiar la organización y el comportamiento de las células dentro de los tejidos se ha ampliado enormemente. [9]
Durante la década de 1970, la línea celular MDCK encontró un nuevo uso como modelo para el tejido epitelial de los mamíferos. En 1982, Mina Bissell y sus colegas demostraron que las monocapas MDCK respondían a la adición de una capa de colágeno (denominada "cultivo sándwich") proliferando y formando túbulos huecos. [10] Esto indicó por primera vez que la línea celular respondería a entornos 3D autoorganizándose en la estructura 3D apropiada que recuerda a los túbulos renales. En los años siguientes, se demostró que el cultivo de células MDCK completamente embebidas en colágeno producía esferas huecas o acinos . [11] Se trataba de monocapas epiteliales simples con un interior y un exterior definidos. Sin embargo, el hecho de que las células MDCK no formaran túbulos en estas condiciones permaneció sin explicación hasta más tarde.
Durante el mismo período de la década de 1980, los biólogos que estudiaban la motilidad celular habían descubierto un comportamiento interesante y reproducible de las células en cultivo: la respuesta de dispersión. Las células epiteliales en cultivo crecen normalmente como grupos apretados. Sin embargo, se las podía inducir a romper los contactos célula-célula y a alargarse y volverse móviles después de la exposición a un "factor de dispersión" que era secretado por células mesenquimales como los fibroblastos Swiss 3T3 . [12] Esto fue mejor descrito por el grupo de Julia Gray en 1987. [13] Durante el mismo período a mediados de la década de 1980, el grupo de Walter Birchmeier informó que un anticuerpo monoclonal interrumpía los contactos célula-célula y alteraba la polaridad delantera-trasera de las células en cultivo. [14] [15] El objetivo de este anticuerpo se identificó más tarde como un componente de las uniones célula-célula, la E-cadherina . [16] Estas observaciones dispares finalmente se fusionaron en un paradigma resistente para la motilidad celular y la polaridad celular. Las células epiteliales normalmente no son móviles, pero pueden volverse móviles al inhibir las uniones entre células o mediante la adición de factores de crecimiento que inducen la dispersión. [17] Ambos son reversibles y ambos implican la ruptura de las uniones entre células.
En 1991, Lelio Orci y sus colegas informaron por primera vez sobre la respuesta de los acinos MDCK en cultivos tridimensionales al factor de dispersión . [18] Cultivaron acinos de células MDCK en geles de colágeno con o sin fibroblastos Swiss 3T3, en los que los medios podían intercambiarse pero los tipos de células no estaban en contacto directo. Esta estrategia de cultivo celular, denominada cocultivo, indujo a los acinos MDCK a experimentar una morfogénesis ramificada, en la que las células se reorganizan en una red de túbulos interconectados que se asemeja al desarrollo de muchos tejidos. [19] Ese mismo año, se demostró que el "factor de dispersión" era una proteína previamente descrita secretada por fibroblastos, el factor de crecimiento de hepatocitos (HGF). [20] Este trabajo resolvió un misterio pendiente del cultivo MDCK, ya que el tejido del que se derivaron estas células es tubular, aunque anteriormente solo se habían desarrollado en acinos esféricos en cultivos tridimensionales. Más allá de esa paradoja inmediata, se forjó una conexión crucial entre la inducción aguda de la motilidad celular en cultivos 2D por el "factor de dispersión" y su impacto en la organización espacial adoptada por los tejidos en 3D. Esta conexión sigue siendo importante como vínculo entre mecanismos definidos con precisión de la motilidad celular en 2D y reordenamientos complejos en 3D cuya regulación aún está por comprenderse por completo.
En los últimos 20 años, la comprensión de la biología celular MDCK en cultivo 3D ha avanzado más notablemente por el laboratorio de Keith Mostov . Este grupo se ha centrado en la regulación de la polaridad celular y sus efectos posteriores en la morfogénesis de ramificación. [21] [2] De hecho, el cuerpo de trabajo generado por el grupo de Mostov ha sintetizado con éxito décadas de conocimiento sobre la segregación espacial de las funciones celulares y sus marcadores moleculares, en un modelo notable para la generación y homeostasis de la polaridad celular en los tejidos. [22] [23] En 2003, el grupo de Mostov informó el primer relato completo que vincula la morfogénesis de ramificación con los sellos distintivos de la polaridad apical-basal. [24] Este trabajo estableció que las células MDCK no pierden contactos con las vecinas durante el inicio de la morfogénesis de ramificación, sino que los marcadores canónicos de la polaridad celular se pierden transitoriamente. Un resultado de este cambio de polaridad es la reorientación de la división celular a lo largo de una nueva rama de células en crecimiento, con el fin de posicionar correctamente a las células hijas para que continúen la extensión de la rama. La motilidad celular mediante la cual las células MDCK producen y alargan las ramas se relacionó con estos cambios de polaridad.
Estos hallazgos se integraron en un modelo de morfogénesis ramificada centrado en la reorganización transitoria de la señalización de polaridad celular. Este modelo se ha denominado informalmente la vía de Mostov. Esto permite que las células normalmente no móviles generen protuberancias y migren colectivamente, seguido de la rediferenciación y la formación de túbulos huecos. En apoyo de este modelo, Mostov y colegas han identificado los efectos del HGF en los acinos MDCK como provocadores de una transición parcial de fenotipos de células epiteliales a mesenquimales. [25] Este argumento organiza un programa de señalización establecido denominado transición epitelial a mesenquimal (EMT), por el cual las células epiteliales sésiles se vuelven móviles y rompen los contactos célula-célula. [17] La EMT se ha propuesto como la cascada de señalización transcripcional que impulsa la dispersión celular, aunque anteriormente los investigadores no fusionaron las dos. [26] [27] Dada la distinción de que, para los acinos en 3D, las uniones célula-célula no se rompen, no está claro cómo relacionar con precisión el concepto de EMT con la morfogénesis ramificada.
El grupo Mostov también ha investigado los medios por los cuales el HGF activa la motilidad celular durante la morfogénesis de ramificación de MDCK. [28] [29] Sus estudios han demostrado que la morfogénesis de ramificación requiere el factor de transcripción Erk, aguas abajo de la cascada de la proteína quinasa activada por mitógeno , una vía de transducción de señales bien definida implicada en la motilidad y proliferación celular. [30] La maquinaria precisa de motilidad celular responsable de la morfogénesis de ramificación de MDCK no ha sido especificada por el grupo Mostov, más allá del requisito de una proteína de señalización involucrada en la regulación de la pequeña GTPasa Rho . [29] Además, el laboratorio de Gardel ha demostrado que la motilidad invasiva de las células MDCK en acinos requiere Dia1, que regula las adhesiones celulares a las fibrillas de colágeno individuales. [31] Mientras tanto, otros grupos han demostrado el requisito de proteínas de adhesión célula-ECM o sus reguladores en la morfogénesis de ramificación de MDCK. [32] [33] Gierke y Wittman utilizaron un protocolo modificado para el cultivo de células MDCK y la morfogénesis de ramificación para establecer el requisito de la dinámica de los microtúbulos para regular los primeros pasos de la ramificación. [34] Observaron un acoplamiento adhesivo deficiente de las células a la matriz de colágeno cuando se desregulaban los microtúbulos. Este fenotipo indicó la importancia de transportar las proteínas de adhesión y protrusión celulares adecuadas al frente celular a medida que se iniciaba la morfogénesis de ramificación. En combinación con las observaciones del grupo Mostov, este trabajo confirmó que la polaridad celular es indispensable para la homeostasis acinar de MDCK, así como para los comportamientos migratorios durante la morfogénesis de ramificación.