"Estirador" para las células
Un ingenioso dispositivo, de sólo unos pocos micrómetros de tamaño, permite estudiar la reacción de las células biológicas individuales al estrés mecánico
El comportamiento de las células está controlado por su entorno. Además de los factores biológicos o sustancias químicas, también intervienen fuerzas físicas como la presión o la tensión. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y de la Universidad de Heidelberg desarrollaron un método que les permite analizar la influencia de las fuerzas externas en las células individuales. Utilizando un proceso de impresión en 3D, produjeron micro andamios, cada uno de los cuales tiene cuatro pilares en los que se encuentra una célula. Activado por una señal externa, un hidrogel dentro del andamiaje se hincha y empuja los pilares a separarse, de modo que la célula debe "estirarse".
Microfotografía electrónica del andamiaje "vacío" (sin hidrogel) que un equipo de investigación internacional utilizó para deformar células individuales.
Marc Hippler, KIT
El hidrogel (amarillo) se hincha y empuja el micro andamio (gris), junto con la barra de atracción de células (naranja). Esto deforma la célula (verde).
Marc Hippler, KIT
Muchos procesos biológicos celulares, como la cicatrización de heridas o el desarrollo de tejidos, están fuertemente influenciados por las propiedades de su entorno. Las células reaccionan, por ejemplo, a factores biológicos o sustancias químicas. Sin embargo, la investigación se centra cada vez más en las fuerzas físicas que actúan sobre las células: ¿Cómo se adaptan exactamente las células a estas fuerzas?
En el marco del Consorcio Universitario Germano-Japonés HeKKSaGOn y en cooperación con científicos australianos, el equipo del 3DMM2O ha adoptado un enfoque particularmente ingenioso de esta cuestión. Para la producción de sus "bastidores de estiramiento" de células utilizaron la "escritura láser directa", un proceso especial de impresión en 3D en el que un rayo láser controlado por computadora se enfoca en un líquido especial de tinta de impresora. Sus moléculas reaccionan sólo en las zonas expuestas y forman allí un material sólido. Todas las demás áreas permanecen líquidas y pueden ser lavadas. "Este es un método establecido en nuestro Cluster de Excelencia para construir estructuras tridimensionales - en la escala micrométrica y por debajo", explica Marc Hippler del Instituto KIT de Física Aplicada, autor principal de la publicación.
En el caso actual, los investigadores utilizaron tres tintas de impresora diferentes: La primera tinta, hecha de material repelente a las proteínas, se utilizó para formar el verdadero micro andamiaje. Usando una segunda tinta de material que atrae proteínas, produjeron cuatro barras horizontales que están conectadas a uno de los pilares del andamiaje cada una. La célula está anclada a estas cuatro barras. El verdadero tope de exhibición, sin embargo, es la tercera tinta: Los científicos la usaron para "imprimir" una masa dentro del andamio. Si luego añaden un líquido especial, el hidrogel se hincha. Así desarrolla una fuerza suficiente para mover los pilares y las barras con ellos. Esto, a su vez, tiene el efecto de estirar la célula que está fijada a las barras.
Las células contrarrestan la deformación
Los científicos del Cluster de Excelencia colocaron dos tipos de células completamente diferentes en su micro estirador: células tu-mor de hueso humano y células embrionarias de ratón. Descubrieron que las células contrarrestan las fuerzas externas con proteínas motoras y así aumentan enormemente sus fuerzas de tensión. Cuando se elimina la fuerza de estiramiento externa, las células se relajan y vuelven a su estado original. "Este comportamiento es una impresionante demostración de la capacidad de adaptación a un entorno dinámico. Si las células no fueran capaces de recuperarse, ya no cumplirían su función original, por ejemplo, el cierre de heridas", dice el profesor Martin Bastmeyer del Instituto Zoológico de KIT.
Como el equipo descubrió además, una proteína llamada NM2A (miosina 2A no muscular) juega un papel decisivo en la respuesta de las células a la estimulación mecánica: Las células tumorales óseas modificadas genéticamente que no pueden producir NM2A apenas pudieron contrarrestar la deformación externa.
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Publicación original
Marc Hippler, Kai Weißenbruch, Kai Richler, Enrico D. Lemma, Masaki Nakahata, Benjamin Richter, Christopher Barner-Kowollik, Yoshinori Takashima, Akira Harada, Eva Blasco, Martin Wegener, Motomu Tanaka, Martin Bastmeyer; "Mechanical Stimulation of Single Cells by Reversible Host-Guest Interactions in 3D Micro-Scaffolds"; Science Advances; 2020
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