En aproximadamente 48 horas, la única célula del huevo de rana fertilizado sufrirá un cambio dramático para desarrollar partes vitales del cuerpo como los músculos, un esqueleto, ojos, un corazón, y una cola de renacuajo. Los científicos han estado estudiando este proceso para comprender mejor el desarrollo humano, defectos de nacimiento, y el cáncer y para promover tecnologías como la generación de organoides y la terapia de reemplazo celular. Los científicos pueden interrumpir el desarrollo embrionario, pausarlo, y acelerarlo; sin embargo, no pueden explicar exactamente cómo funciona el desarrollo. Con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), Los bioingenieros de la Universidad de Pittsburgh están intentando comprender lo que sucede dentro del huevo.

El Departamento de Salud y Servicios Humanos de los NIH otorgó a Lance Davidson, profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt, $ 1, 327, 207 por su estudio "Biomecánica de la morfogénesis". Dr. Davidson, quien dirige el Laboratorio MechMorpho en la Universidad de Pittsburgh, tiene como objetivo adoptar el enfoque de un ingeniero estructural de la biomecánica del desarrollo de embriones.

Los investigadores de Pitt están aplicando ingeniería inversa a los procesos mecánicos que dan forma al plan corporal básico y al desarrollo de órganos en embriones mediante pruebas. técnicas, y herramientas que es más probable que se encuentren en un laboratorio de ingeniería mecánica que en un laboratorio de genética molecular.

"Si vieras un puente por primera vez, ¿Cómo se daría cuenta de que funcionó? ", pregunta el Dr. Davidson." Un genetista podría hacerlos pedazos y analizar cómo funciona cada pieza, pero un ingeniero miraría el conjunto, tomando medidas de fuerza y ​​movimiento. Le pondrían más peso y verían cuándo se rompe. Estamos aplicando estos principios de análisis estructural para comprender los embriones ".

En los laboratorios circundantes, los investigadores trabajan con ratones, moscas de la fruta, pez cebra y ratas. En el laboratorio del Dr. Davidson, está Xenopus, una rana originaria del África subsahariana. Las ranas son ideales para la investigación del Dr. Davidson porque sus embriones y tejidos son increíblemente tolerantes a las condiciones del laboratorio y resistentes al 'toque' de un ingeniero. Incluso después de sacarlos de sus caparazones protectores, inducir defectos genéticos, o inyectando trazadores de proteínas fluorescentes, estas ranas no croarán.

"Usamos ranas porque se pueden extraer tejidos muy fácilmente, y seguirán creciendo correctamente, "Dice el Dr. Davidson." El ojo o el cerebro de una rana pueden aislarse y seguirán creciendo en una placa de Petri. Eso no sucederá con un ratón o un pez. Cuando se corta la capa externa de un embrión no anfibio, el embrión no mantendrá su estructura. Los embriones de rana se parecen más a la plastilina, puedes cortar y pegar pañuelos y remodelarlos, aunque la plastilina sigue siendo mucho más rígida que estos embriones ".

Los huevos de rana comienzan aproximadamente del tamaño de la punta de un lápiz. En un campo de estudio que está acostumbrado a acomodar vigas de acero o mediciones de hormigón armado, El grupo del Dr. Davidson tiene que ser creativo con las herramientas que utiliza.

"Para realizar microcirugía en los embriones de rana, utilizamos un bisturí hecho de pelo de ceja humano y un lazo de pelo de bebé, "dice el Dr. Davidson." Los embriones son diminutos, mojado, y suave sin embargo, todavía obedecen los mismos principios de forma del acero o la madera ".

"Un ingeniero civil o mecánico podría realizar pruebas con regularidad aplicando diez millones de pascales de tensión, ", continúa. Diez millones de pascales equivalen a la cantidad de agua a presión que sale de una lavadora a presión, y un pascal se refiere a cuánta presión ejerce una sola hoja de papel sobre la mesa. "Tenemos que diseñar herramientas especiales que puedan aplicar y medir el estrés entre cinco y 20 pascales. No se puede simplemente pedir algo como en Amazon, así que improvisamos en nuestro laboratorio para diseñar y fabricar equipos personalizados para nuestras necesidades ".

Al estudiar la mecánica de la morfogénesis, el proceso de cambio de forma de un embrión, el Dr. Davidson espera desarrollar una herramienta que proporcione a los bioingenieros una mayor comprensión y control del autoensamblaje de tejidos.

"Muchos campos de la ingeniería tienen algún tipo de software o herramienta de simulación que puede eliminar las conjeturas de sus diseños antes de que realmente comiencen a construir. Estamos desarrollando algo similar para los ingenieros de tejidos para que no tengan que depender de prueba y error todo el tiempo. , "explica el Dr. Davidson.

Pruebas de fluencia, mapas de tensión, y la microaspiración son técnicas de ingeniería empleadas por el equipo del Dr. Davidson para comprender la mecánica subyacente de la morfogénesis. Es posible que estas ranas no se conviertan en príncipes pronto, pero de una pequeña bola de células, el embrión puede transformarse en un renacuajo estructuralmente complejo con órganos funcionales.

"En el transcurso de un estudio, por accidente, observamos dos conjuntos de huevos, un conjunto comienza aproximadamente al doble del tamaño del otro. Vimos cómo los embriones se desarrollaban uno al lado del otro. Debido a la diferencia de tamaño inicial, esperábamos ver muchas deformidades estructurales o al menos que los renacuajos salieran dos veces más grandes. Para nuestra sorpresa, muchos de los embriones de 'huevo grande' sobrevivieron y sus renacuajos crecieron al mismo tamaño que los renacuajos de 'huevo pequeño', de alguna manera logrando autocorregirse mientras se desarrollaban, "Dice el Dr. Davidson.

En un momento en que la ingeniería de tejidos se está volviendo cada vez más útil en las terapias de medicina regenerativa, El Dr. Davidson estima que solo hay alrededor de cinco o seis grupos en el mundo que realizan mediciones de propiedades materiales en el tejido vivo de vertebrados como las ranas. Sobre la base de su investigación y combinándola con los resultados de un estudio financiado por los NIH de 2016 "Control mecánico de la transición mesenquimal a epitelial, "Continuará desarrollando la mecánica del tejido en crecimiento.