Un mapa celular reveló cómo influye el azúcar en el organismo

Un estudio dirigido por la Universidad de Vanderbilt logró crear un mapa celular del recorrido de la glucosa dentro de las células humanas con una precisión inédita, abriendo el camino hacia una comprensión más profunda de enfermedades metabólicas, como la diabetes.

Mediante inteligencia artificial y microscopía de alta resolución, los investigadores visualizaron por primera vez cómo la glucosa —principal forma de azúcar en el cuerpo— se transforma y se organiza en los distintos orgánulos celulares.

Según indicó Muy Interesante, este avance redefine el conocimiento sobre el metabolismo celular y presenta herramientas tecnológicas capaces de observar procesos biológicos a escalas antes inalcanzables.

El equipo científico, en colaboración con la Universidad de Vanderbilt, implementó una combinación innovadora de microscopía electrónica, inteligencia artificial y etiquetado isotópico. Utilizaron glucosa marcada con carbono-13, un isótopo estable, para rastrear el destino de las moléculas desde su ingreso al organismo hasta su almacenamiento o transformación en orgánulos específicos.

De este modo, fue posible cuantificar el flujo de glucosa y localizar el destino de sus derivados tanto en tejidos como en compartimentos subcelulares.

El aporte de algoritmos de segmentación basados en inteligencia artificial permitió identificar y clasificar miles de orgánulos celulares según su morfología y contenido isotópico. Esta aproximación ha proporcionado una resolución jamás alcanzada, permitiendo a los investigadores observar exactamente qué metabolitos se forman y dónde se producen en la célula.

Entre los descubrimientos principales destaca la visualización de una arquitectura energética interna más compleja y organizada de lo planteado hasta ahora. Por primera vez se han observado contactos dinámicos entre mitocondrias, gotas de grasa y el retículo endoplasmático, elementos fundamentales para la gestión de la energía celular.

El estudio demuestra que, tras un consumo elevado de azúcar, las células hepáticas activan mecanismos precisos para almacenar el excedente de glucosa. Los autores señalan que se ha mapeado de manera exacta “el patrón espacial del flujo de glucosa 13C en hepatocitos in situ”. Esto revela cómo y dónde se procesa la glucosa dentro de las células del hígado.

Uno de los hallazgos más destacados es la constatación, gracias a la tomografía electrónica 3D, de que las moléculas recién sintetizadas de glucógeno rodean directamente las gotas de grasa intracelulares, formando un contacto estrecho con el retículo endoplasmático. El artículo original destaca que “la síntesis de glucógeno ocurre sobre y alrededor del andamiaje formado por las gotas lipídicas de los hepatocitos”.

Este dato cambia la visión tradicional de compartimentos independientes para los depósitos de grasas y azúcares. En su lugar, muestra una estructura integral donde las gotas de grasa, además de almacenar lípidos, funcionan como plataformas de inicio para la síntesis de glucógeno. Así, se redefine el papel de estos orgánulos en la regulación energética del hígado.

El trabajo evidencia cómo los puntos de contacto entre mitocondrias y retículo endoplasmático varían al modificar los niveles de glucosa en sangre. En ayuno, son más numerosos y estables, facilitando el intercambio de señales y metabolitos para mantener la estabilidad energética.

Al aumentar la glucosa, estos contactos disminuyen rápidamente, lo cual indica una reorganización interna adaptada al nuevo estado energético. En palabras de los científicos, “los contactos mitocondria-retículo endoplasmático se reorganizan desde un modelo centrado en el ER hacia uno centrado en el glucógeno durante la glucogénesis”. Dicho de otro modo, el estudio muestra que las células ajustan sus conexiones internas según la cantidad de azúcar en sangre para mantener su energía en equilibrio

Esta flexibilidad puede ser clave para entender por qué fallos en estas conexiones se asocian a enfermedades como la diabetes y ciertos trastornos neurodegenerativos.

El avance fue posible gracias a la técnica MIMS-EM (Microscopía de masas por imagen con microscopía electrónica correlativa), capaz de medir la presencia de carbono-13 en estructuras minúsculas como las mitocondrias.

Al administrar glucosa marcada a ratones y analizar su incidencia en los tejidos, se reconstruyó un mapa tridimensional donde se observa qué orgánulos participan en la absorción y transformación de la glucosa, evidenciando cómo varía la actividad metabólica de acuerdo al estado energético.

La integración de esta tecnología con inteligencia artificial permitió alcanzar una escala de análisis nunca antes lograda, lo que allana el camino para investigar otras rutas metabólicas con el mismo nivel de detalle. Como subraya Muy Interesante, este método “establece un marco multimodal para estudiar las múltiples escalas del metabolismo y el paisaje espacial de las células y el flujo de nutrientes in situ”.

Descubrir con exactitud dónde y cuándo se forma el glucógeno puede llevar al desarrollo de tratamientos más precisos para pacientes con diabetes tipo 2, en quienes este proceso suele estar alterado.

El conocimiento sobre la organización y reorganización de los orgánulos celulares también abre nuevas posibilidades para abordar trastornos de almacenamiento energético, como enfermedades hepáticas o musculares.

El estudio sugiere que intervenir en puntos específicos del proceso metabólico, ahora identificados gracias a este nuevo mapa, permitiría corregir alteraciones sin necesidad de cambiar toda la fisiología del cuerpo.

No obstante, los autores advierten que la técnica utilizada resulta costosa y compleja, y todavía no está disponible en la mayoría de laboratorios. A pesar de estos límites, los logros obtenidos marcan un camino prometedor para la investigación biomédica futura.

La investigación se centró en el hígado de ratones, pero los científicos también han detectado estructuras similares en células humanas y otros organismos, como el nematodo C. elegans. Esto indica que la organización celular documentada está conservada a lo largo de la evolución y es común en diferentes especies.

El siguiente desafío consistirá en analizar cómo cambian estas redes celulares en distintos estados fisiológicos o patológicos, y si es posible intervenir para restablecer el metabolismo saludable. La posibilidad de observar el flujo de energía en tiempo real en las células se perfila como una herramienta de valor incalculable para la biología y la medicina.

Según Muy Interesante, la técnica MIMS-EM aún no está extendida, pero el trabajo de la Universidad de Vanderbilt fija un nuevo estándar en la investigación del metabolismo celular. Los autores concluyen que este avance “abre la puerta a nuevas investigaciones sobre el metabolismo celular y su manipulación en enfermedades”, sentando las bases para una visión más exhaustiva de los mecanismos que sustentan la vida y la salud.