Introducción
Los osteocitos derivados de la osteogénesis estática (osteocitos derivados del SO) se diferencian in situ a partir del mesénquima, se forman en las primeras etapas del crecimiento óseo y actúan como andamiaje para la posterior formación de hueso por parte de los derivados de la osteogénesis dinámica (osteocitos derivados del DO). Los osteocitos derivados de la SO son grandes, forman lagunas equidistantes y se agrupan en cordones, mientras que los osteocitos derivados de la DO son más pequeños, forman lagunas alargadas y están más dispersos en círculos concéntricos irregulares alrededor de los canales neurovasculares (figura 1). Las lagunas de los osteocitos se ajustan a sus dimensiones durante la osteogénesis y su forma está relacionada con su función . Las lagunas osteocíticas suelen estar bien conservadas en los huesos fósiles, lo que ofrece un rico conjunto de datos para abordar cuestiones paleobiológicas en torno a los animales extintos.
Figura 1. (a) Esquema que muestra las diferencias en la forma y orientación de los osteocitos entre los derivados del SO y los derivados del DO. (b) Imagen histológica de un fémur de Accipiter cooperi con etiquetas que muestran las diferencias entre las lagunas osteocíticas derivadas del SO y del DO tal y como aparecen en el hueso. En ambas imágenes, las abreviaturas son las mismas: osteocitos derivados del SO (SO), osteocitos derivados del DO (DO), canal neurovascular (NVC), osteón primario (POn). (Versión online en color.)
Una de estas cuestiones es cómo ha cambiado el tamaño del genoma en varios clados a lo largo de la historia evolutiva. La paleogenómica trata de responder a esa pregunta utilizando características histológicas relacionadas con el tamaño del genoma . Se han realizado muchos estudios para investigar la posible relación entre el tamaño de las células y el tamaño del genoma, y si las pruebas histológicas pueden ofrecer una señal suficiente para estimar el tamaño del genoma de los animales extintos . Además, el tamaño de los glóbulos rojos puede estar asociado a la tasa metabólica debido a la función de las células en el transporte de oxígeno. Si existe una señal metabólica significativa en el tamaño de los glóbulos rojos, también puede utilizarse para estimar parámetros metabólicos en animales extintos.
En un estudio que intentó inferir parámetros paleobiológicos a partir de las dimensiones lacunares de los osteocitos, D’Emic & Benson midió los volúmenes lacunares en aves existentes y realizó una regresión de estos volúmenes frente a parámetros biológicos conocidos, incluyendo la constante de la tasa de crecimiento máxima k, la tasa metabólica específica de la masa, el tamaño de los glóbulos rojos y el tamaño del genoma. Encontraron relaciones moderadas entre el volumen lacunar de los osteocitos y el tamaño del genoma y la masa corporal y relaciones débiles entre el volumen lacunar de los osteocitos y la tasa metabólica y la tasa de crecimiento. No se encontró ninguna relación con el tamaño de los eritrocitos, aunque había pocos puntos de datos disponibles para la regresión. Sólo midieron las lagunas de osteocitos derivadas de la DO, pero es habitual en los estudios paleogenómicos medir las lagunas más grandes, que probablemente albergaban osteocitos derivados de la SO. El presente estudio pretende reanalizar el conjunto de datos de D’Emic & Benson (; material suplementario electrónico) midiendo sólo estos volúmenes de lagunas de osteocitos derivados del SO y hacer una regresión de los volúmenes frente al mismo conjunto de parámetros. Esto nos permitirá evaluar dos cuestiones: (1) ¿existe una diferencia en las relaciones forma-función a nivel celular entre los osteocitos derivados del SO frente a los derivados del DO? y (2) ¿son los osteocitos derivados del SO o los derivados del DO superiores para predecir parámetros fisiológicos en las aves extintas, y quizás en otros vertebrados?
Material y métodos
D’Emic & Benson (; material suplementario electrónico) recopiló un conjunto de imágenes de cortes longitudinales y transversales preparados en secciones delgadas del medio fémur de 34 aves existentes. El mismo conjunto de imágenes utilizadas en su artículo se recuperó de sus datos suplementarios de acceso abierto (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) y se tomó un nuevo conjunto de mediciones. Se ignoraron las lagunas osteocíticas derivadas de la DO y sólo se midieron las lagunas osteocíticas derivadas de la SO. Se tomaron al menos 10 mediciones del eje corto y largo de las lagunas osteocíticas derivadas del SO de cada imagen, lo que dio como resultado un conjunto de datos de 3.836 mediciones del eje lacunar. Las lagunas osteocíticas múltiples derivadas del SO son a veces confluentes; estas lagunas confluentes grandes e irregulares se excluyeron de nuestras mediciones. Tanto las lagunas osteocíticas derivadas de forma estática como las derivadas de forma dinámica tienen el aspecto de elipsoides crenulados según los estudios de microscopía electrónica de transmisión y microCT . Algunas lagunas osteocíticas derivadas estáticamente tienen proyecciones que las hacen más piramidales que elipsoidales, pero nuestra técnica de medición fue consistente en todas las lagunas y, por lo tanto, no debería sesgar nuestras estimaciones de volumen.
Por lo tanto, el volumen de los osteocitos se estimó asumiendo una forma de elipsoide escaleno con la siguiente fórmula: volumen = 4/3 × π × eje largo × eje intermedio × eje corto . Estos volúmenes fueron regresados contra los mismos cinco parámetros biológicos (tamaño del genoma (pg), masa corporal (g), constante de la tasa de crecimiento k (día-1), tasa metabólica basal específica de la masa (W g-1), área eritrocitaria seca (μm2)) compilados por D’Emic & Benson (; material suplementario electrónico) utilizando los mismos paquetes R y el código archivado en Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). Los parámetros biológicos no estaban disponibles de manera uniforme en todos los taxones muestreados, por lo que los datos fueron analizados adecuadamente antes de cada regresión. Se emplearon tres modelos de regresión para cada una de las cinco regresiones de un parámetro biológico sobre el volumen de la laguna osteocítica. El primero suponía que no había influencia filogenética en los datos (λ = 0), el segundo estimaba λ según un modelo de movimiento browniano de evolución (λ = 1) y el tercero estimaba λ según la máxima verosimilitud. Estos modelos se compararon utilizando las ponderaciones del criterio de información de Akaike (AICc) corregido para seleccionar el modelo más probable. Por último, estas regresiones se compararon con las anteriores regresiones del volumen lacunar de los osteocitos derivados de la DO.
Resultados y discusión
Las relaciones significativas y moderadas entre el volumen lacunar de los osteocitos derivados de la SO de las aves y el tamaño del genoma o la masa corporal que se encontraron con las lagunas de los osteocitos derivados de la DO se mantienen, aunque ambas son ligeramente más débiles (figura 2 y tabla 1). Las relaciones entre el volumen y la tasa de crecimiento o la tasa metabólica desaparecen cuando se examinan sólo los osteocitos derivados del SO. Tanto en los osteocitos derivados de DO como en los derivados de SO, no hay relación entre el volumen lacunar y el tamaño de los eritrocitos. Sólo la relación entre el volumen lacunar y el tamaño del genoma es significativa independientemente de la masa corporal (p = 0,008, λ = 0, peso AIC = 0,58).
Figura 2. Comparación de los modelos de regresión para cada parámetro entre el volumen lacunar de osteocitos derivado de DO (i) y el derivado de SO (ii). Tanto para los osteocitos derivados de la DO como para los derivados de la SO: (a) volumen lacunar frente a la masa corporal; (b) volumen lacunar frente al tamaño del genoma; (c) volumen lacunar frente a la tasa de crecimiento; (d) volumen lacunar frente a la tasa metabólica basal específica de la masa; (e) volumen lacunar frente al tamaño de los eritrocitos secos. En todos los gráficos, la línea negra sólida es la línea de regresión por mínimos cuadrados ordinarios (OLS) (λ = 0), las líneas grises sólidas representan el intervalo de confianza, la línea discontinua es la línea de regresión por mínimos cuadrados generalizados filogenéticos (PGLS) donde λ = 1, y la línea de puntos es la línea de regresión filogenética donde la λ se ajusta a los datos (tabla 1). Las siluetas en el gráfico del volumen lacunar de osteocitos derivado de la DO frente a la masa corporal son imágenes del cardenal (crédito de la imagen: Scott Hartman) y del ñandú (crédito de la imagen: Darren Naish, vectorizada por Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), dos aves cercanas a los extremos relativos de la distribución de la masa corporal muestreada en este estudio. (Versión online en color.)
| modelo de regresión | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| tamaño del genoma | 19 | 0.58 | 0,38 | 0 |
| masa corporal | 34 | 0,58 | 0,26 | 0 |
| tasa de crecimiento | 15 | 0.005 | 0,09 | 1 |
| tasa metabólica | 21 | 0,03 | 0.01 | 0,18 |
| tamaño de los eritrocitos | 10 | 0,015 | 0.02 | 1 |
Nuestros resultados indican que a efectos de estimar el tamaño del genoma aviar o la masa corporal a partir del volumen lacunar de los osteocitos, no hay diferencias significativas entre los osteocitos derivados de DO y los derivados de SO. A la hora de estimar la tasa de crecimiento o la tasa metabólica, nuestros resultados sugieren utilizar únicamente el volumen lacunar de los osteocitos derivados de la DO. Ni los volúmenes lacunares de osteocitos aviares derivados de la DO ni los derivados de la SO son óptimos para estimar el tamaño de los glóbulos rojos, ya que no estaban relacionados en ambos casos. Las diferencias entre los osteocitos aviares derivados de la DO y de la SO en sus relaciones con otros parámetros biológicos se deben probablemente a sus diferentes formas y funciones. Tanto los osteocitos derivados de la DO como los derivados de la SO son importantes en el crecimiento del hueso nuevo, siendo las células derivadas de la SO las que primero forman los andamios, seguidas de los osteocitos derivados de la DO que rellenan los osteones primarios, pero nuestros resultados sugieren que el volumen de osteocitos derivados de la DO es un mejor indicador del crecimiento y de las tasas metabólicas en las aves. Esto tal vez esté relacionado con la escalada del suministro vascular al hueso a medida que se rellenan sus osteones primarios, con el volumen lacunar de osteocitos derivado de la DO reflejando la tasa de aposición de tejido dentro del osteón más que la tasa centrípeta de crecimiento del hueso como órgano producido a medida que los osteocitos derivados de la SO osifican cordones de tejido alrededor de la neurovasculatura.
Nuestros resultados tienen implicaciones para el uso de las mediciones del volumen lacunar de osteocitos para la estimación de parámetros biológicos en el hueso fósil. Los estudios paleogenómicos que buscan estimar el tamaño del genoma de las aves y quizás de otros clados pueden seguir tomando muestras de los osteocitos más grandes, como es la convención, porque los osteocitos derivados del SO o del DO indican la misma relación positiva con el tamaño del genoma. En los estudios que pretenden estimar las tasas de crecimiento o las tasas metabólicas de las aves, es mejor muestrear sólo los osteocitos derivados de la DO porque estos parámetros no están relacionados con los volúmenes lacunares de los osteocitos derivados de la SO. Los estudios futuros deberían poner a prueba nuestras conclusiones en otros vertebrados y huesos con diferentes regímenes de carga biomecánica con el fin de examinar si las relaciones celulares e histológicas de forma-función reveladas aquí se extienden también a otros tipos y clados de huesos.
Accesibilidad a los datos
Contribuciones de los autores
M.D.D. diseñó el estudio y realizó las secciones delgadas. O.G. recogió los datos de las secciones delgadas. Ambos autores analizaron los datos y escribieron el artículo. Ambos autores aceptan ser responsables del contenido de este trabajo, aprueban la versión final del manuscrito y aceptan ser responsables de todos los aspectos del trabajo para garantizar que las cuestiones relacionadas con la exactitud o la integridad de cualquier parte del trabajo se investiguen y resuelvan adecuadamente.
Intereses en competencia
No tenemos intereses en competencia.
Financiación
No hemos recibido financiación para este estudio.
Notas a pie de página
El material complementario electrónico está disponible en línea en https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
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