Nueva técnica revela las fuerzas celulares involucradas en la formación y el crecimiento de tejidos biológicos



Una nueva técnica desarrollada por investigadores de la Universidad de Brown revela las fuerzas involucradas a nivel celular durante los procesos de formación y crecimiento de tejidos biológicos. La técnica podría ser útil para comprender mejor cómo funcionan estos procesos y para estudiar cómo pueden responder a las toxinas ambientales o las terapias con medicamentos.

Como se describe en la revista Biomateriales, la técnica hace uso de esferas del tamaño de una célula hechas de un material polimérico altamente compatible, que puede colocarse en cultivos de laboratorio de células formadoras de tejido. A medida que se desarrolla el proceso de formación de tejido, las imágenes microscópicas de las esferas, que están teñidas con tinte fluorescente, revelan hasta qué punto se deforman por la presión de las células circundantes. Luego, un algoritmo computacional usa esa deformación para calcular las fuerzas que actúan en ese microambiente celular.

“Sabemos que las fuerzas mecánicas son estímulos importantes en la formación y el desarrollo de los tejidos, pero en realidad medir esas fuerzas es bastante difícil”, dijo Eric Darling, profesor asociado de ciencia médica, ingeniería y ortopedia en Brown. “Estas esferas que hemos desarrollado nos brindan una técnica extremadamente sensible para medir esas fuerzas a lo largo del tiempo en la misma muestra. Y podemos hacer esto con varias muestras a la vez en una placa de 96 pocillos, por lo que es un método de alto rendimiento. también.”

La investigación fue una colaboración entre el laboratorio de Darling y el laboratorio de Haneesh Kesari, profesor asistente de ingeniería en Brown y experto en mecánica sólida. Darling y el estudiante graduado Robert Gutiérrez desarrollaron las esferas y realizaron experimentos de cultivo celular con ellas, mientras que Kesari y el estudiante graduado Wenqiang Fang desarrollaron el algoritmo computacional para calcular las fuerzas.

Las esferas están hechas de un polímero llamado poliacrilamida. Las esferas no tienen un efecto aparente sobre el comportamiento de los tejidos recién formados, dijo Darling, y el material de poliacrilamida tiene propiedades mecánicas que son altamente consistentes y ajustables, lo que hizo posible que las esferas fueran lo suficientemente suaves como para deformarse de manera mensurable cuando se exponen a fuerzas celulares.

“La clave para esto es tener un material altamente controlado, con una forma muy precisa, así como una rigidez mecánica uniforme y finamente ajustada”, dijo Kesari. “Si conocemos las propiedades de las esferas, entonces podemos tomar fotografías de cómo cambian sus formas y revertir las fuerzas necesarias para hacer esos cambios”.

Como prueba de concepto, los investigadores realizaron una serie de experimentos para medir las fuerzas involucradas en la condensación mesenquimatosa, un proceso en el que las células madre se agrupan y eventualmente se diferencian en tipos de células específicas de tejido. El proceso es fundamental para la formación de dientes, huesos, cartílagos y otros tejidos.

En un experimento, el equipo incluyó esferas sensibles a la fuerza en cultivos de células que se unían para formar bolas multicelulares. Se tomaron imágenes microscópicas de los cultivos cada hora durante 14 horas, lo que permitió al equipo rastrear los cambios en las fuerzas involucradas en cada cultivo a lo largo del tiempo. Los experimentos mostraron que las fuerzas involucradas en la condensación mesenquimatosa eran muy variables durante las primeras 5 o más horas del proceso, antes de asentarse en un perfil de fuerza mucho más estable. Esta fue la primera vez que se midió tal dinámica de fuerza, dicen los investigadores.

Para ayudar a verificar que las esferas eran realmente sensibles a las fuerzas celulares, el equipo repitió el experimento utilizando cultivos tratados con un inhibidor citoesquelético, un fármaco que debilita los diminutos motores contráctiles dentro de una célula. Como era de esperar, las esferas detectaron fuerzas marcadamente más débiles en los cultivos tratados con el fármaco.

En otro conjunto de experimentos, los investigadores agregaron las esferas del sensor a las masas celulares preformadas para observar cómo las esferas se incorporaron a la masa. Algunas de las esferas habían sido tratadas con una capa de colágeno, que permite que las células se unan a los sensores, mientras que otras no estaban cubiertas.

“Pudimos ver diferencias en los perfiles de fuerza entre las esferas revestidas y no revestidas”, dijo Darling. “En general, hubo una gran fuerza de compresión, pero con las células recubiertas pudimos ver las células interactuando con las esferas directamente, tirando de ellas y ejerciendo también una fuerza de tracción”.

Darling dice que tiene la esperanza de que la técnica pueda revelar detalles fundamentales sobre cómo funcionan los procesos de formación de tejidos. En el futuro, también se pueden utilizar medicamentos de cribado destinados a modular estos procesos o para probar los efectos de las toxinas ambientales. También podría ser útil en ingeniería de tejidos.

“Si queremos hacer crecer el cartílago, podría ser útil saber los tipos de fuerzas que estas células están ejerciendo entre sí porque podríamos aplicar una fuerza externa que iguale o complemente ese perfil de fuerza”, dijo Darling. “Entonces, además del descubrimiento fundamental, creo que existe un potencial de traslación para esto en el futuro”.

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