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Ultraestructura

Ultraestructura de una célula bacteriana individual ( Bacillus subtilis ). La barra de escala mide 200 nm .

La ultraestructura (o ultraestructura ) es la arquitectura de las células y los biomateriales que es visible a mayores aumentos que los que se encuentran en un microscopio óptico de luz estándar . Esto tradicionalmente significaba la resolución y el rango de aumento de un microscopio electrónico de transmisión (MET) convencional al observar muestras biológicas como células , tejidos u órganos . La ultraestructura también se puede ver con microscopía electrónica de barrido y microscopía de súper resolución , aunque el MET es una técnica histológica estándar para ver la ultraestructura. Estructuras celulares como los orgánulos , que permiten que la célula funcione correctamente dentro de su entorno específico, se pueden examinar a nivel ultraestructural.

La ultraestructura, junto con la filogenia molecular , es una forma filogenética confiable de clasificar los organismos. [1] Las características de la ultraestructura se utilizan industrialmente para controlar las propiedades de los materiales y promover la biocompatibilidad.

Historia

En 1931, los ingenieros alemanes Max Knoll y Ernst Ruska inventaron el primer microscopio electrónico. [2] Con el desarrollo y la invención de este microscopio, la gama de estructuras observables que se podían explorar y analizar aumentó enormemente, a medida que los biólogos se interesaban cada vez más por la organización submicroscópica de las células. Esta nueva área de investigación se ocupaba de la subestructura, también conocida como ultraestructura. [3]

Aplicaciones

Muchos científicos utilizan observaciones ultraestructurales para estudiar, entre otros, los siguientes aspectos:

Biología

Una característica ultraestructural común encontrada en las células vegetales es la formación de cristales de oxalato de calcio . [9] Se ha teorizado que estos cristales funcionan para almacenar calcio dentro de la célula hasta que sea necesario para el crecimiento o el desarrollo. [10]

Los cristales de oxalato de calcio también se pueden formar en animales , y los cálculos renales son una forma de estas características ultraestructurales. En teoría, se podrían utilizar nanobacterias para disminuir la formación de cálculos renales de oxalato de calcio. [11]

Ingeniería

El control de la ultraestructura tiene aplicaciones en ingeniería para controlar el comportamiento de las células. Las células responden rápidamente a los cambios en su matriz extracelular (MEC), por lo que la fabricación de materiales que la imiten permite un mayor control sobre el ciclo celular y la expresión de proteínas . [12]

Muchas células, como las plantas, producen cristales de oxalato de calcio , y estos cristales suelen considerarse componentes ultraestructurales de las células vegetales. El oxalato de calcio es un material que se utiliza para fabricar esmaltes cerámicos [6], y también tiene propiedades de biomaterial . Para el cultivo de células y la ingeniería de tejidos , este cristal se encuentra en el suero fetal bovino y es un aspecto importante de la matriz extracelular para el cultivo de células. [13]

La ultraestructura es un factor importante a tener en cuenta al diseñar implantes dentales . Dado que estos dispositivos interactúan directamente con el hueso, su incorporación al tejido circundante es necesaria para un funcionamiento óptimo del dispositivo. Se ha descubierto que aplicar una carga a un implante dental en proceso de curación permite una mayor osteointegración con los huesos faciales . [14] Analizar la ultraestructura que rodea a un implante es útil para determinar su biocompatibilidad y cómo reacciona el cuerpo a él. Un estudio descubrió que implantar gránulos de un biomaterial derivado del hueso de cerdo hizo que el cuerpo humano incorporara el material a su ultraestructura y formara hueso nuevo. [15]

La hidroxiapatita es un biomaterial que se utiliza para interconectar dispositivos médicos directamente con el hueso mediante ultraestructura. Se pueden crear injertos junto con fosfato tricálcico y se ha observado que el tejido óseo circundante incorpora el nuevo material a su matriz extracelular. [16] La hidroxiapatita es un material altamente biocompatible y sus características ultraestructurales, como la orientación cristalina, se pueden controlar cuidadosamente para garantizar una biocompatibilidad óptima. [17] La ​​orientación adecuada de las fibras cristalinas puede hacer que los minerales introducidos, como la hidroxiapatita, sean más similares a los materiales biológicos que pretenden reemplazar. El control de las características ultraestructurales hace posible la obtención de propiedades materiales específicas.

Referencias

  1. ^ Laura Wegener Parfrey ; Erika Barbero; Elyse Lasser; Micah Dunthorn; Debashish Bhattacharya; David J Patterson ; Laura A Katz (diciembre de 2006). "Evaluación del apoyo a la clasificación actual de la diversidad eucariota". PLOS Genetics . 2 (12): e220. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.0020220 . ISSN  1553-7390. PMC  1713255 . PMID  17194223. Wikidata  Q21090155.
  2. ^ Masters, Barry R (marzo de 2009). "Historia del microscopio electrónico en biología celular" (PDF) . Enciclopedia de ciencias de la vida (ELS) . Chichester: John Wiley & Sons, Ltd. doi :10.1002/9780470015902.a0021539. ISBN 9780470016176.
  3. ^ Brieger, EM (1963). "Ultraestructura de la célula". Estructura y ultraestructura de microorganismos . Elsevier. págs. 1–7. doi :10.1016/b978-0-12-134350-7.50005-8. ISBN . 978-0-12-134350-7.
  4. ^ Eyden, B.; Banerjee, SS; Ru, Y.; Liberski, P. (2014). La ultraestructura de los tumores humanos: aplicaciones en el diagnóstico y la investigación . Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-39168-2.
  5. ^ Musser, Robert L.; Thomas, Shirley A.; Wise, Robert R.; Peeler, Thomas C.; Naylor, Aubrey W. (1 de abril de 1984). "Ultraestructura de cloroplastos, fluorescencia de clorofila y composición de pigmentos en soja sometida a estrés por frío". Fisiología vegetal . 74 (4): 749–754. doi :10.1104/pp.74.4.749. ISSN  0032-0889. PMC 1066762 . PMID  16663504. 
  6. ^ Moreira, Carolina A.; Dempster, David W.; Baron, Roland (2000). "Anatomía y ultraestructura del hueso: histogénesis, crecimiento y remodelación". Endotext . South Dartmouth (MA): MDText.com, Inc. PMID  25905372.
  7. ^ Cramer, Elisabeth M.; Norol, Françoise; Guichard, Josette; Breton-Gorius, Janine; Vainchenker, William; Massé, Jean-Marc; Debili, Najet (1997-04-01). "Ultraestructura de la formación de plaquetas por megacariocitos humanos cultivados con el ligando Mpl". Sangre . 89 (7): 2336–2346. doi : 10.1182/blood.V89.7.2336 . ISSN  1528-0020. PMID  9116277. S2CID  7757033.
  8. ^ Ferreira, Adelina; Dolder, Heidi (6 de enero de 1990). "Ultraestructura del esperma y espermatogénesis en el lagarto Tropidurus itambere" (PDF) . Biocell . 27 (3): 353–362. ISSN  0327-9545. PMID  15002752.
  9. ^ Prychid, CJ; Jabaily, RS; Rudall, PJ (13 de marzo de 2008). "Ultraestructura celular y desarrollo cristalino en Amorphophallus (Araceae)". Anales de botánica . 101 (7): 983–995. doi :10.1093/aob/mcn022. ISSN  0305-7364. PMC 2710233 . PMID  18285357. 
  10. ^ Tilton, VR; Horner, HT (1980). "Cristales de rafuro de oxalato de calcio e idioblastos cristalíferos en los carpelos de Ornithogalum caudatum". Anales de botánica . 46 (5): 533–539. doi :10.1093/oxfordjournals.aob.a085951. ISSN  1095-8290.
  11. ^ Goldfarb, David S. (19 de octubre de 2004). "Microorganismos y enfermedad por cálculos de oxalato de calcio". Fisiología de la nefrona . 98 (2): 48–54. doi :10.1159/000080264. ISSN  1660-2137. PMID  15499215. S2CID  29369994.
  12. ^ Khademhosseini, Ali (2008). Microingeniería y nanoingeniería del microambiente celular: tecnologías y aplicaciones. Boston: Artech House. ISBN 978-1-59693-149-7.
  13. ^ Pedraza, Claudio E.; Chien, Yung‐Ching; McKee, Marc D. (2008). "Cristales de oxalato de calcio en suero bovino fetal: implicaciones para estudios de cultivo celular, fagocitosis y biomineralización in vitro". Journal of Cellular Biochemistry . 103 (5): 1379–1393. doi :10.1002/jcb.21515. ISSN  0730-2312. PMID  17879965. S2CID  43217705.
  14. ^ Meyer, U.; Joos, U.; Mythili, J.; Stamm, T.; Hohoff, A.; Fillies, T.; Stratmann, U.; Wiesmann, HP (2004). "Caracterización ultraestructural de la interfaz implante/hueso de implantes dentales cargados inmediatamente". Biomateriales . 25 (10): 1959–1967. doi :10.1016/j.biomaterials.2003.08.070. PMID  14738860.
  15. ^ Orsini, Giovanna; Scarano, Antonio; Piattelli, Mauricio; Piccirilli, Marcello; Caputi, Sergio; Piattelli, Adriano (2006). "Análisis histológico y ultraestructural del hueso regenerado en el aumento del seno maxilar utilizando un biomaterial derivado del hueso porcino". Revista de Periodoncia . 77 (12): 1984-1990. doi :10.1902/jop.2006.060181. ISSN  0022-3492. PMID  17209782.
  16. ^ Fujita, Rumi; Yokoyama, Atsuro; Nodasaka, Yoshinobu; Kohgo, Takao; Kawasaki, Takao (2003). "Ultraestructura de la interfaz cerámica-hueso utilizando cerámicas de hidroxiapatita y fosfato tricálcico β y mecanismo de reemplazo del fosfato tricálcico β en el hueso". Tejido y célula . 35 (6): 427–440. doi :10.1016/S0040-8166(03)00067-3. PMID  14580356.
  17. ^ Zhuang, Zhi; Miki, Takuya; Yumoto, Midori; Konishi, Toshiisa; Aizawa, Mamoru (2012). "Observación ultraestructural de cerámicas de hidroxiapatita con orientación preferida al plano a utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución". Procedia Engineering . 36 : 121–127. doi : 10.1016/j.proeng.2012.03.019 .

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