Un nuevo estudio revela la intrincada relación entre el tamaño y el número de células

En un estudio reciente publicado en la revista PNAS, Los investigadores han examinado la relación entre el tamaño y el número de células en todo el cuerpo humano, estableciendo un marco cuantitativo y descubriendo patrones celulares importantes.

Estudio: Recuento de células humanas y distribución de tamaño.  Haber de imagen: Rattiya Thongdumhyu/ShutterstockEstudio: Recuento de células humanas y distribución de tamaño. Haber de imagen: Rattiya Thongdumhyu/Shutterstock

Fondo

Las células, las unidades básicas de la vida, mantienen tamaños específicos consistentes con los de los mamíferos, que tienen cuerpos grandes con más células que los grandes. Este tamaño de celda constante facilita sus funciones designadas; Las desviaciones a menudo indican enfermedades. Los tipos de células, como las neuronas y los miocitos, tienen tamaños específicos necesarios para sus tareas. Aunque investigaciones anteriores han demostrado que existen entre 30 y 37 billones de células humanas, aún no se ha explorado una comprensión integral de la relación entre el tamaño y el número de células. A medida que surgen esfuerzos como el Human Cell Atlas, cuyo objetivo es perfilar cada tipo de célula humana, nuestros datos, que combinan histología y anatomía, pueden proporcionar una base cuantitativa para comprender la composición y función celular. Esta visión integrada ayuda a unir la investigación unicelular moderna con la biología celular clásica, destacando la necesidad de continuar la investigación sobre la métrica celular en todo el cuerpo.

Sobre estudiar

El presente estudio recopiló datos sobre el tamaño de las células en todo el cuerpo humano utilizando tres modelos anatómicos: masculino, femenino y infantil. A partir de más de 1.500 fuentes, los investigadores han identificado alrededor de 400 tipos de células únicos repartidos en 60 sistemas de tejidos. Utilizando el modelo masculino como referencia, con datos más detallados, hicieron estimaciones para mujeres y niños basándose en ciertos supuestos.

Contrastando el número de células y la distribución de biomasa por tipo de célula. Mapas de árbol de Voronoi para los 400 tipos de células analizadas en el modelo anatómico masculino de referencia (el área representa el volumen celular relativo o la biomasa). (A) Los recuentos celulares están dominados por los glóbulos rojos y las plaquetas, tomados del mapa del árbol de recuento celular. Incluso después de eliminar los glóbulos no nucleados (≈29 billones), los glóbulos blancos (≈3,4 billones) todavía dominan el recuento de ≈7 billones de células nucleadas, con el 98% de los glóbulos blancos residentes en el tejido, el 1% circulantes y el 1% marginales intravasculares. (B) La biomasa celular está dominada por miocitos esqueléticos, que comprenden aproximadamente la mitad de los 45 kg de biomasa celular del cuerpo, aunque comprenden <0,002% del recuento de células nucleadas, como se extrae del mapa del árbol de biomasa. La mayor parte de los 23,5 kg restantes de biomasa celular son adipocitos blancos (≈12 kg; aunque la grasa corporal varía entre los sujetos). Se pueden consultar mapas de árbol para una mujer de referencia de 60 kg (≈28 billones de células) y un niño de 32 kg (≈17 billones de células), y grupos celulares y sistemas de órganos más detallados en https://humancelltreemap.mis.mpg.de/ (Apéndice SI, Fig. T7-T9).

El estudio ajustó el tamaño de las células de los miocitos y las células nerviosas según el crecimiento o la contracción del sistema, aunque las cifras se mantuvieron constantes entre géneros y edades. El modelo masculino revela que las células sanguíneas pesan alrededor de 4,7 kg, divididas en 53 tipos que cubren 30 sistemas de tejidos. Los datos de la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP), incluidas las masas de tejido y el contenido de grasas y proteínas, se obtuvieron a partir de autopsias e imágenes. Se ha descubierto que el cerebro masculino tiene aproximadamente 88 mil millones de neuronas y un número igual de no neuronas.

Surgen desafíos de estimación, particularmente en células epiteliales y endoteliales, debido a su amplia distribución. También se encontró información detallada sobre fibroblastos y células osteoides en todos los tejidos. Los hombres tienen 13,3 kg de masa celular de adipocitos repartidos en zonas como la región hipodérmica y visceral, con cantidades diferentes en mujeres y niños. El estudio mapeó ampliamente las distribuciones del tamaño de las células en el cuerpo humano.

Resultados del estudio

El completo conjunto de datos recopilado proporciona una mirada en profundidad a los parámetros de los principales tipos de células humanas, brindando detalles incomparables en varios sistemas de tejidos. Por ejemplo, detalla los tamaños de las fibras musculares de todos los principales grupos de músculos esqueléticos, neuronas y grupos de células gliales dentro del sistema nervioso periférico y central, y los grupos de células sanguíneas desde su creación en la médula ósea hasta su distribución en los principales órganos sanguíneos y . tejidos. Además, se hace especial hincapié en los tejidos que son importantes para la salud humana, incluidos el sistema digestivo y los tejidos reproductivos femeninos.

Distribución del tipo de células en tejidos seleccionados.  Se muestran los recuentos celulares y la distribución de biomasa de 18 tipos amplios de células (colores) para los 32 sistemas de tejidos corporales más importantes, lo que representa aproximadamente la mitad de los 60 sistemas de tejidos analizados, incluida la mayor parte de la biomasa celular total.  Los valores numéricos se refieren a una referencia masculina a excepción de los senos, el útero y los ovarios femeninos.  La mayoría de los sistemas tisulares están dominados por ≈140 tipos de células distintas que comprenden la clase de células epiteliales.  el Distribución del tipo de células en tejidos seleccionados. Se muestran los recuentos celulares y la distribución de biomasa de 18 tipos amplios de células (colores) para los 32 sistemas de tejidos corporales más importantes, lo que representa aproximadamente la mitad de los 60 sistemas de tejidos analizados, incluida la mayor parte de la biomasa celular total. Los valores numéricos se refieren a una referencia masculina a excepción de los senos, el útero y los ovarios femeninos. La mayoría de los sistemas tisulares están dominados por ≈140 tipos de células distintas que comprenden la clase de células epiteliales. «CNS» y «PNS» se refieren al sistema nervioso central y periférico, respectivamente. La clase «Otras células sanguíneas» está dominada por los macrófagos, pero incluye monocitos y precursores de glóbulos rojos y plaquetas. La biomasa celular no incluye los componentes no celulares de la biomasa de cada tejido, que está formada por agua extracelular, proteínas y minerales.

La presente investigación destaca la amplitud del espectro de tamaños de las células humanas, siendo un glóbulo rojo más de un millón de veces más pequeño que un miocito. Surgieron varios patrones distintos al examinar las distribuciones entre el recuento de células y la biomasa. Los recuentos celulares consisten principalmente en plaquetas, glóbulos rojos y glóbulos blancos que residen en el tejido. Por el contrario, la biomasa celular se compone principalmente de células musculares y grasas.

Un histograma del tamaño de las células que abarca todo el cuerpo humano proporciona una visión más amplia del tamaño y el número de células. Suponiendo una distribución lognormal, considerada apropiada para la mayoría de los tipos de células, los investigadores la adoptaron para relacionar mejor cada uno de los 1264 grupos de células con sus datos. La relación encontrada entre el recuento logarítmico total de cada clase de tamaño logarítmico fue consistente desde los glóbulos rojos diminutos hasta los miocitos más grandes. Esta relación muestra una conexión casi inversa entre el tamaño de las células y el recuento, lo que sugiere que si el tamaño de una célula aumenta en un determinado factor, su recuento disminuirá en el mismo factor y viceversa.

Curiosamente, la biomasa celular generalmente se distribuye uniformemente entre las clases de tamaño celular, pero no está exenta de irregularidades. Entre las células pequeñas, la distribución del tamaño puede observar alteraciones alrededor de las plaquetas y los espermatozoides haploides. Diferentes células grandes, como los adipocitos y los miocitos, muestran una amplia distribución de tamaño, y su número permanece relativamente estático a pesar de factores como la obesidad o la atrofia muscular.

Además, los datos proporcionan una perspectiva sobre la variación del tamaño celular en diferentes tipos de células. Con datos suficientes para varios grupos de células, se calculó la diferencia de tamaño para estos grupos. Los resultados muestran que, en una amplia gama de tamaños de celda, el coeficiente de variación (CV) permanece relativamente constante. Esta consistencia en el CV puede indicar que los mecanismos que gobiernan el tamaño de las células siguen siendo los mismos en diferentes células del cuerpo humano.

Conclusiones

En resumen, el estudio identificó diferencias que pueden surgir de diferencias biológicas o imprecisiones en las mediciones, que revelan incertidumbres en diferentes tipos de células; Si bien la relación entre la ploidía celular y la masa celular sigue sin explorarse, las estimaciones iniciales indican que sólo un pequeño porcentaje de todas las células nucleadas son poliploides. Existe un patrón notable en el que el tamaño y el número de células contrastan, observado en diferentes organismos. Los orígenes de estos patrones no son universalmente reconocidos, pero muchos factores influyen en ellos, incluido el crecimiento celular y las tasas de división. Finalmente, estos datos pueden tener diferentes aplicaciones, desde comprender las funciones inmunes, refinar las estimaciones del recuento de linfocitos, ayudar a las técnicas de identificación celular a actuar como referencia para estudios futuros y posiblemente ofrecer información sobre predicciones dinámicas basadas en el tamaño de las células.

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