Estudio de la arquitectura epitelial en 3D, su variación natural y la aparición de patrones morfológicos a nivel celular

• Autores: Carmen Gordillo Vázquez
• Directores de la Tesis: Valentina Annese (dir. tes.), Luis María Escudero Cuadrado (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 252
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    Una de las cuestiones más fascinantes de la Biología del desarrollo es entender cómo los tejidos y órganos adquieren su forma, crítica para su función, en un proceso que se denomina morfogénesis. La fiel ejecución del programa morfogenético requiere un control espacio-temporal bastante preciso de numerosos mecanismos, incluidos los cambios en la forma celular. Sin embargo, este control deja margen para pequeñas variaciones que no afectan a la viabilidad del órgano u organismo, lo cual da lugar al fenómeno de la variación natural. En este contexto de variación intrínseca a la morfogénesis, también debe haber mecanismos pasivos o reguladores que la controlen, ya que un exceso en la variación durante el desarrollo de los tejidos puede ser perjudicial para su función.

    Aquí, exploramos la estocasticidad en el crecimiento de los cistos MDCK (Madin-Darby canine kidney) para comprender las causas y consecuencias de la variación natural durante la morfogénesis epitelial. Con este objetivo, desarrollamos un método de segmentación automática para imágenes de epitelios en tres dimensiones (3D), denominado CartoCell, que permite el análisis de alto rendimiento de cientos de imágenes de cistos MDCK. Nuestro método detecta de un modo realista la morfología tridimensional del tejido completo, así como de las células que lo componen y de sus contactos a lo largo de la estructura. Así, CartoCell permite la cuantificación precisa de numerosas características geométricas y de empaquetamiento, tanto a nivel tisular como celular. De este modo, encontramos que los cistos pueden adoptar un rango de diferentes formas. Por otra parte, el análisis de la variación de las características geométricas y de empaquetamiento, según la forma del cisto o a lo largo de su desarrollo, reveló que la variación natural obedece una serie de restricciones y que existen características robustas que persisten a la variación para garantizar la estabilidad de la cistogénesis. Finalmente, completamos el estudio con el análisis de la distribución espacial de los valores de las características celulares (enfoque que denominamos “cartografía celular o single-cell cartography”) y descubrimos que existen patrones de morfología celular dentro de los cistos MDCK. En conjunto, pensamos que nuestro marco de estudio puede servir como referencia para identificar las restricciones geométricas que impulsan la autoorganización en el desarrollo de los tejidos epiteliales.

  • English

    A fascinating question in Developmental Biology involves understanding how tissues and organs acquire the shape that is critical to their function, in a process called morphogenesis. The faithful execution of the morphogenetic program requires an accurate spatiotemporal control of several mechanisms, including changes in cell shape.

    However, this control allows for some variations that do not affect the viability of the organ or organism, resulting in the emergence of natural variation. In this context of intrinsic variation during morphogenesis, there must also be passive or regulatory mechanisms that control it because uncontrolled variation during development can be detrimental to tissue function.

    Here, we explore the stochasticity of MDCK (Madin-Darby canine kidney) cysts to understand the causes and consequences of natural variation during epithelial morphogenesis. To this aim, we have developed an automatic segmentation method for three-dimensional (3D) epithelial images called CartoCell, which allows high-throughput analysis of hundreds of MDCK cysts. Our method can detect, in a realistic way, the 3D morphology of the whole tissue, as well as the the individual cells constituting the cyst.

    Therefore, we can quantify geometric and packing features at tissue and cellular resolution. We found that cysts can adopt different shapes. Moreover, the analysis of geometric and packing features (depending on shape or time) revealed several constraints on the natural variation of cystogenesis and demonstrated that certain features are robust to ensure the stability of the process. Finally, we concluded this study with the implementation of the “single-cell cartography” approach that provides insights into the distribution of cellular feature values, revealing cell morphology patterns on MDCK cysts. Taken together, we believe that our strategy can serve as a reference to study how geometrical constraints drive self-organization of epithelial tissues.