Las ranas de cristal ocultan los glóbulos rojos en su hígado para volverse transparentes

Oct 26, 2023

27 de diciembre de 2022 | michael kane

Los investigadores finalmente descifran cómo una especie de rana se convierte en una maestra del camuflaje con la ayuda de modernas técnicas de imágenes biomédicas

Las ranas de cristal se vuelven transparentes mientras descansan tomando glóbulos rojos de la circulación y ocultándolos en sus hígados. Un equipo multiuniversitario de biólogos e ingenieros biomédicos ha demostrado cómo estas ranas se hacen transparentes en una investigación que aparece el 23 de diciembre en la revista Science.

Es fácil pasar por alto una rana de cristal en su entorno natural. La rana de cristal del norte, Hyalinobatrachium fleischmanni, no mide más de unos pocos centímetros y es más activa durante la noche, cuando su piel verde les ayuda a mezclarse con las hojas y el follaje circundantes.

Pero estos anfibios se convierten en auténticos maestros del camuflaje durante el día, cuando duermen.

"Cuando las ranas de cristal están en reposo, sus músculos y piel se vuelven transparentes, y sus huesos, ojos y órganos internos son todo lo visible", dijo Carlos Taboada, becario postdoctoral en Duke y coprimer autor del artículo. "Estas ranas duermen en la parte inferior de hojas grandes y, cuando son transparentes, pueden combinar perfectamente con los colores de la vegetación".

Muchos animales en el mar pueden cambiar el color de su piel o volverse completamente transparentes, pero es una habilidad mucho menos común en tierra. Una de las razones por las que es tan difícil lograr la transparencia es por los glóbulos rojos en el sistema circulatorio. Los glóbulos rojos son expertos en absorber la luz verde, que es el color de la luz que suelen reflejar las plantas y otra vegetación. A cambio, estas células ricas en oxígeno reflejan la luz roja, lo que hace que la sangre (y por extensión el sistema circulatorio) sea muy visible, especialmente contra una hoja verde brillante.

Las ranas de cristal son algunos de los únicos vertebrados terrestres que pueden lograr transparencia, lo que las ha convertido en un objetivo de estudio. Taboada comenzó a estudiar las ranas de cristal como becario postdoctoral en el laboratorio de Sönke Johnsen, profesor de biología en Duke que se especializa en el estudio de la transparencia. Trabajando con Jesse Delia, que viajó por todo el mundo recogiendo diferentes ranas de cristal para el estudio, observaron que los glóbulos rojos parecían desaparecer de la sangre circulante cada vez que las ranas se volvían transparentes.

Realizaron pruebas de imagen adicionales en los animales y demostraron mediante modelos ópticos que los animales podían lograr transparencia porque expulsaban los glóbulos rojos de sus vasos. Sospechaba que las células estaban almacenadas en uno de los órganos internos de la rana, que están empaquetados en una membrana reflectante.

Para un animal transparente, su biología era sorprendentemente difícil de descifrar. La investigación se basó en la experiencia de biólogos e ingenieros biomédicos no sólo de Duke sino también del Museo Americano de Historia Natural, la Universidad de Stanford y la Universidad del Sur de California.

"Si estas ranas están despiertas, estresadas o bajo anestesia, su sistema circulatorio está lleno de glóbulos rojos y son opacos", explicó Delia, ahora becaria postdoctoral en el Museo Americano de Historia Natural. “La única manera de estudiar la transparencia es si estos animales duermen felizmente, lo cual es difícil de lograr en un laboratorio de investigación. Estábamos realmente golpeándonos la cabeza contra la pared en busca de una solución”.

Pero Taboada había aprendido acerca de una tecnología de imágenes llamada microscopía fotoacústica, o PAM, cuando estudiaba la biliverdina, el compuesto que da a ciertas especies de ranas su color verde característico. PAM implica disparar un rayo láser seguro de luz al tejido, que luego es absorbido por moléculas y convertido en ondas ultrasónicas. Estas ondas sonoras luego se utilizan para generar imágenes biomédicas detalladas de las moléculas. La herramienta de imágenes no es invasiva, es silenciosa, sensible y, por suerte, está disponible en Duke.

"PAM es la herramienta ideal para obtener imágenes no invasivas de glóbulos rojos porque no es necesario inyectar agentes de contraste, lo que sería muy difícil para estas ranas", explicó Junjie Yao, profesor asistente de Ingeniería Biomédica en Duke que se especializa en tecnologías PAM. “Los propios glóbulos rojos proporcionan el contraste, porque diferentes tipos de células absorben y reflejan diferentes longitudes de onda de luz. Podríamos optimizar nuestros sistemas de imágenes para buscar específicamente glóbulos rojos y rastrear cuánto oxígeno circulaba en los cuerpos de las ranas”.

En su configuración de imágenes, las ranas dormían boca abajo en una placa de Petri, de forma similar a cómo dormirían sobre una hoja, y el equipo apuntó con un láser verde al animal. Los glóbulos rojos del cuerpo de la rana absorbieron la luz verde y emitieron ondas ultrasónicas, que luego fueron captadas por un sensor acústico para rastrear su paradero, con alta resolución espacial y alta sensibilidad.

Los resultados fueron sorprendentemente claros: cuando las ranas dormían, eliminaban casi el 90 por ciento de los glóbulos rojos circulantes y los almacenaban en el hígado.

En pruebas adicionales, el equipo también vio que los glóbulos rojos salían del hígado y circulaban cuando las ranas estaban activas, y luego se reagregaban en el hígado mientras las ranas se recuperaban.

"El resultado principal es que cuando las ranas de cristal quieren ser transparentes, lo que suele ocurrir cuando están en reposo y son vulnerables a la depredación, filtran casi todos los glóbulos rojos de su sangre y los esconden en un hígado recubierto de espejo. de alguna manera evitando la creación de un coágulo de sangre enorme en el proceso”, dijo Johnsen. "Cada vez que las ranas necesitan volver a activarse, devuelven las células al torrente sanguíneo, lo que les da la capacidad metabólica para moverse".

Según Delia y Taboada, este proceso plantea dudas sobre cómo las ranas pueden almacenar de forma segura casi todos sus glóbulos rojos en el hígado sin coagularse ni dañar sus tejidos periféricos. Dijeron que un posible próximo paso podría ser estudiar este mecanismo y cómo algún día podría aplicarse a problemas vasculares en humanos.

Este trabajo también presenta las ranas de vidrio como un modelo útil para la investigación, especialmente cuando se combinan con imágenes fotoacústicas de última generación. Como investigadores de Glassfrog desde hace mucho tiempo, están entusiasmados con las nuevas vías de estudio que ahora están disponibles para ellos y los colaboradores interesados.

"Podemos aprender más sobre la fisiología y el comportamiento de la rana de cristal, o podemos utilizar estos modelos para optimizar las herramientas de imágenes para la ingeniería biomédica", dijo Delia. "Esto comenzó porque Carlos y yo pensamos que esta rana estaba haciendo algo extraño con su sangre, y eso llevó a colaboraciones productivas tanto en Duke como en todo el mundo".

"Nuestra exitosa colaboración ha sido un gran ejemplo de cómo múltiples disciplinas pueden hacer avanzar la ciencia de manera conjunta de la manera más sinérgica", dijo Yao. “Estamos muy entusiasmados con las futuras interacciones entre los equipos de biología e ingeniería. Con toda la fuerza a bordo, el cielo es el límite”.

Este trabajo recibió el apoyo de la subvención de la National Geographic Society (NGS-65348R-19), la beca postdoctoral del Programa de Ciencias de la Frontera Humana (LT 000660/2018-L), la beca Gerstner Scholars proporcionada por la Gerstner Family Foundation y la Richard Gilder Graduate School en el Museo Americano de Historia Natural, fondos iniciales de la Universidad de Stanford y fondos iniciales de la Universidad de Duke, las subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (R01 EB028143 R01 NS111039 y RF1 NS115581 BRAIN Initiative), el Premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias (2144788) , el premio Duke Institute of Brain Science Incubator, el premio American Heart Association Collaborative Sciences (18CSA34080277) y la Iniciativa Chan Zuckerberg (2020-226178).

CITA: “Las ranas de cristal ocultan sangre en su hígado para mantener la transparencia”, Carlos Taboada, Jesse Delia, Maomao Chen, Chenshuo Ma, Xiaorui Peng, Xiaoyi Zhu, Liaming Jiang, Tri Vu, Qifa Zhou, Junjie Yao, Laureo O'Connell, Sonke Johnsen, Science, 22 de diciembre de 2022. DOI: 10.1126/science.abl6620