"La forma es función"
El comportamiento de los tejidos líquidos es un principio clave para la formación de estructuras en los sistemas biológicos.
Investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces de Potsdam han demostrado que el tejido óseo en crecimiento se comporta como un líquido viscoso a largo plazo, aceptando así formas con una superficie mínima. Este comportamiento celular determina la forma del tejido cuando crece en un andamio.
Composición de imágenes de contraste de fase de un tejido cultivado en un puente capilar tomadas en tres momentos diferentes en el cultivo de tejidos (izquierda). El esqueleto de las células fue teñido con un marcador verde fluorescente para visualizarlas en 3D usando microscopía de hoja de luz (derecha). La imagen 3D muestra que las células giran en una cierta dirección alrededor del puente capilar.
MPI of Colloids and Interfaces/ Sebastian Ehrig
Una fortaleza particular y una característica fascinante de los sistemas vivos es su adaptabilidad a las condiciones ambientales cambiantes. Un ejemplo de ello es el hueso humano, que se regenera regularmente mediante la fijación y extracción de pequeños paquetes de hueso. Este proceso de conversión está regulado por el entorno mecánico, lo que permite que el hueso adapte su estructura y su forma interna a las cambiantes necesidades de carga, como el ejercicio regular. John Dunlop, antiguo jefe de grupo del Instituto Max Planck de coloides e interfaces de Potsdam, y ahora profesor de biofísica en la Universidad de Salzburgo, estaba investigando con su equipo las condiciones óptimas para generar tejido óseo.
Las estructuras biológicas están formadas por células, que son mucho más pequeñas que la forma resultante. Las células son incluso capaces de sentir la curvatura de una superficie que es mucho más grande que ellas mismas. ¿Cómo consiguen las células crear formas macroscópicas tan complejas o restaurar la forma original durante la cicatrización ósea? "Una respuesta parcial a esta pregunta podría ser la perspicacia de este trabajo. Las células utilizan la energía de la superficie para dar forma de la misma manera que las estructuras complejas pueden surgir de las pompas de jabón debido a la energía de la superficie", subraya Peter Fratzl, director del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces y coautor del estudio, en el que también participaron científicos de la Berlin Charité, de Würzburg, de Dresde y de la Montanuniversität Leoben.
Formas de curvatura media constante
Los investigadores pudieron demostrar que el tejido que crecía en superficies curvas desarrollaba formas con límites exteriores de curvatura media constante. Estas estructuras son muy similares a formas de gotas de líquido que asumen una superficie mínima. Las superficies de plástico curvadas funcionaban como sustratos para el crecimiento de células y tejidos, que Sebastian Ehrig produjo durante su doctorado. Estas superficies fueron producidas utilizando un polímero líquido que se solidificó a altas temperaturas. Se formó junto con el sustrato y diferentes geometrías sobre las que las células podían crecer y formar nuevos tejidos. La cantidad de tejido formado dependía de la forma del sustrato. Los científicos notaron que se desarrolló más tejido en superficies fuertemente cóncavas, lo que indica un mecanismo de retroalimentación biológica inducido mecánicamente.
Al inhibir la contractilidad celular, se demostró que las fuerzas celulares activas son necesarias para producir suficientes tensiones superficiales para un comportamiento similar al de los fluidos y el crecimiento del tejido. "Esto sugiere que la transducción de señales mecánicas entre las células y su entorno físico, junto con la reorganización continua de las células y la matriz, es un principio clave en la formación de tejidos", enfatiza Sebastian Ehrig, primer autor y ex-estudiante de doctorado en el MPI of Colloids and Interfaces, que ahora investiga en el Centro Max-Delbrück de Berlín.
Estructuras quimicas
Además, la microscopía de lámina de luz permitió comprender la estructura espacial del tejido, con otro descubrimiento notable: las células se agruparon en extensas estructuras quirales que forman espirales alrededor de los puentes capilares. Se encuentran estructuras similares en los osteones, la unidad funcional más pequeña del hueso. Un osteón surge cuando las células formadoras de hueso (osteoblastos) se almacenan concéntricamente en 4-20 capas alrededor de un vaso sanguíneo, se tapian y se convierten en huesos lamelares.
El estudio sugiere que el comportamiento de los tejidos de tipo líquido es un principio clave para la formación de estructuras en los sistemas biológicos. Esto podría tener una gran importancia en términos de comprensión de los procesos de curación y desarrollo de órganos, pero también para aplicaciones médicas como el desarrollo de implantes.
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Publicación original
S. Ehrig, B. Schamberger, C. M. Bidan, A. West, C. Jacobi, K. Lam, P. Kollmannsberger, A. Petersen, P. Tomancak, K. Kommareddy, F. D. Fischer, P. Fratzl, John W. C. Dunlop; "Surface tension determines tissue shape and growth kinetics"; Sci. Adv.; 2019; 5: eaav9394
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