Ingeniería de tejidos usando mecanobiología y micromanipulación robótica
Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público
¿Alguna vez te has preguntado cómo una esfera de células, la mórula, da lugar a tejidos y órganos con formas y arquitecturas fascinantes? El secreto está en la mecánica de los tejidos embrionarios. Presentan un comportamiento viscoso (como un fluido) y elástico (como un sólido) dependiendo de las fuerzas que actúan sobre ellos. En EPFL, Erik Mailand, Ph.D. estudiante, y Selman Sakar, profesor asistente de ingeniería mecánica, han decidido aprovechar la reología de respuesta mecánica de los grupos de células para diseñar tejidos con morfologías complejas de larga duración.
De la mecánica unicelular a la organización multicelular
Los bioingenieros llevan mucho tiempo estudiando tejidos animales con el objetivo de poder diseñar réplicas para la medicina regenerativa y la detección de fármacos. Aunque existen técnicas de fabricación que recapitulan temporalmente la forma y estructura de los tejidos nativos, las morfologías prescritas no son estables. Las células aplican continuamente fuerzas para organizarse a sí mismas y al andamio circundante en un estado energéticamente favorable, y sus actividades físicas casi siempre alteran el orden. «Queremos proporcionar a las células las señales mecánicas adecuadas para que su estado deseado coincida con nuestro modelo para el tejido», dice Sakar, director del Laboratorio de Sistemas MicroBioRobóticos (MICROBS) de la EPFL. «Observamos repetidamente que las células tienden a colapsar el tejido en una bola debido a la aparición de tensiones superficiales». Por lo tanto, el grupo de investigación de Sakar estudió el comportamiento tanto de las células individuales como de los tejidos microfabricados para comprender mejor los principios físicos de la autoorganización. Sus hallazgos se publicaron recientemente en dos artículos separados en Advanced Materials.
Los ingenieros primero realizaron experimentos de micromanipulación robótica para ver cómo las células responden a las fuerzas dentro de una matriz fibrosa. Con este fin, desarrollaron un microaccionador magnético del tamaño de una célula controlado de forma remota que se puede operar dentro de los tejidos. “Esta plataforma nos permite descubrir las condiciones de carga que cambiarían la organización de las células. Estos experimentos también son importantes para comprender la aparición de enfermedades como la fibrosis y el cáncer”, dice Sakar. Los ingenieros crearon una réplica digital uno a uno del sistema experimental para cuantificar las tensiones mecánicas generadas por el microaccionador. «Usamos el gemelo digital para probar virtualmente diferentes esquemas de actuación mecánica y diseñar experimentos que revelarían nuevos conocimientos», dice Fazil Uslu, autor principal del primer artículo.
Transiciones de fase de las láminas epiteliales
Habiendo aprendido de los primeros experimentos, los ingenieros centraron su atención en controlar las tensiones superficiales. Los epitelios son tejidos robustos que soportan la estructura de los embriones y órganos y sirven como barreras contra los patógenos. En particular, los epitelios pueden volverse elásticos, plásticos y viscosos remodelando activamente las uniones célula-célula y modulando la distribución de las tensiones locales. «Usamos microfabricación, mecánica computacional, microscopía de láminas de luz y una novedosa plataforma de micromanipulación robótica para demostrar que los geles de colágeno cubiertos con una lámina epitelial contigua pueden moldearse libremente usando fuerzas mecánicas», dice Mailand, autor principal del segundo artículo. El proceso implica transiciones reversibles de sólido a fluido en la lámina epitelial, y es compatible con técnicas de fabricación tanto aditivas como sustractivas. Los ingenieros demostraron la robustez y versatilidad de su estrategia al guiar el autoensamblaje de una variedad de tejidos moldeados, tallados y ensamblados a partir del material base.
Este descubrimiento abre nuevas vías de investigación en la ingeniería de tejidos. con la esperanza de que algún día los tejidos desarrollados en el laboratorio tengan la forma y la función adecuadas para ser implantados en un paciente o utilizados para probar terapias. El descubrimiento también puede proporcionar una solución al problema de la vascularización de los tejidos. A medida que aumenta el tamaño de los tejidos modificados, las células que residen en el núcleo ya no tienen acceso al medio circundante y requieren, como nuestros órganos, vasos sanguíneos para la perfusión. «Nuestros hallazgos indican que podría ser posible tallar túneles directamente en un tejido que eventualmente sería estabilizado por las células circundantes para crear artificialmente redes fluídicas». Sakar dice. Demostrar que las células endoteliales muestran características de respuesta mecánica similares a las de las células epiteliales es el próximo objetivo del proyecto.
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Los investigadores arrojan nueva luz sobre la regulación mecánica de la homeostasis del tejido epitelial Más información: Fazil E. Uslu et al, Matrices extracelulares diseñadas con microaccionadores inalámbricos integrados para estudiar mecanobiología, Materiales avanzados (2021). DOI: 10.1002/adma.202102641
Erik Mailand et al, Ingeniería de tejidos con transiciones sólido-fluido inducidas mecánicamente, Materiales avanzados (2021). DOI: 10.1002/adma.202106149 Información de la revista: Materiales avanzados