Las fuerzas mecánicas gobiernan los procesos biológicos, de las contracciones del corazón con forma de bomba, a músculos que se asemejan a cuerdas y tirones, y células que realizan tira y afloja microscópicos.

Previamente, estos aspectos mecánicos de la biología se han ignorado en gran medida, sobre todo debido a la falta de tecnología que permita realizar mediciones mecánicas complejas.

Pero se están desarrollando mejores herramientas, y estos permiten el seguimiento de la actividad mecánica en células y tejidos.

Y debido a esta visibilidad, están empezando a surgir nuevos fármacos y tratamientos.

La mecanobiología es la ciencia de cómo las células y los tejidos perciben y responden a las fuerzas mecánicas.

Al igual que los humanos tenemos músculos y huesos que nos dan la capacidad de ejercer fuerzas, cada una de nuestras células también tiene un esqueleto:el citoesqueleto. Esta red de fibras permite que las células ejerzan y resistan fuerzas, y les permite moverse.

Observando las células T

Las células T son parte de nuestro sistema inmunológico:pueden actuar como asesinos celulares, matar otras células, como las infectadas con virus, o células cancerosas.

A microescala (aproximadamente una centésima parte de un cabello humano), podemos visualizar y seguir a las células T "buscando" células cancerosas a medida que se mueven y se abren paso a través de los tejidos. Esto aplica el enfoque conocido como microscopía de fuerza de tracción 3-D (TFM).

Al encontrar una célula cancerosa, una célula T agarra firmemente su objetivo, y entrega un "beso de muerte".

Las técnicas conocidas como aspiración con pipeta doble (DPA) y pinzas ópticas (ver video a continuación) nos permiten tomar células individuales, y emparejarlos juntos de manera controlada. Esto nos permite comprender e ilustrar la mecánica detrás de este "beso" mortal.

Usando técnicas mecanobiológicas para ver cómo las células T encuentran y destruyen las células cancerosas, puede permitir una mejor orientación de las inmunoterapias contra el cáncer.

La primera inmunoterapia dirigida al cáncer que utiliza las propias células T de un paciente fue aprobada recientemente por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA).

Sintiendo la fuerza

Las células usan sensores de fuerza para detectar y distinguir entre muchas de las señales físicas que experimentan.

Una clase importante de sensores de fuerza son los "canales de iones mecanosensibles". Estos son agujeros o poros, en la superficie de la celda que se puede abrir y cerrar.

Cuando la célula detecta una fuerza física o un estímulo mecánico (en esencia, como una picana microscópica), estos poros pueden abrirse. Los productos químicos entran y salen, y se conduce una pequeña corriente eléctrica a través de la pared celular. Esto se puede medir colocando pequeños electrodos en la superficie de una celda.

Muchos tipos de células y tejidos tienen tales sensores, y responder a los cambios en las cargas mecánicas. Estos incluyen las neuronas que sustentan nuestro sentido del tacto, metastatizar las células cancerosas y las células que mantienen nuestro cartílago en los huesos.

El fármaco EVENITY, que tiene como objetivo prevenir la pérdida ósea en la osteoporosis, actúa a través de esta vía. La droga bloquea la esclerostina, un factor clave que inhibe de forma natural la formación de hueso basado en las funciones mecanosensoras de las células formadoras de hueso.

Probado en ratones que viajaban a la Estación Espacial Internacional, el tratamiento ha superado los ensayos clínicos en humanos y está a la espera de la aprobación de la FDA para su uso en el tratamiento de pacientes osteoporóticos en los Estados Unidos.

Órgano en un chip

La tecnología de órgano en chip está diseñada para ayudar al desarrollo de fármacos, modelado de enfermedades y medicina personalizada. Cada unidad individual está hecha de un material transparente conocido como polímero:tiene aproximadamente el tamaño de una memoria USB, y consta de canales huecos revestidos por células humanas vivas.

Estos chips se diferencian de otras pruebas de laboratorio como el cultivo celular, ya que pueden imitar la fisiología y la mecánica de cómo las células interactúan con los tejidos vivos (en lugar de simplemente mirar las respuestas en las células individuales).

Por ejemplo, Los órganos en chips pueden recrear la arquitectura de los órganos humanos a nivel microscópico, incluyendo los intestinos, riñón, piel, médula ósea y áreas del cerebro.

En el siguiente video se describe un ejemplo con tejido pulmonar. Esta tecnología proporciona una forma de ver las enfermedades en los tejidos, y es una alternativa a la experimentación con animales para el desarrollo de fármacos.

Muchos investigadores y empresas de biotecnología esperan que tecnologías como los órganos en chips aceleren el desarrollo de nuevos fármacos. y medicina personalizada avanzada.

Usando técnicas existentes, Los estudios clínicos pueden tardar años en completarse y probar un solo compuesto puede costar muchos millones de dólares. También, Los estudios preclínicos en animales a menudo no logran predecir las respuestas humanas porque los modelos animales no siempre imitan con precisión las respuestas biológicas humanas.

En abril de 2017, la FDA anunció un acuerdo de investigación y desarrollo de varios años para evaluar la tecnología de órganos en chips, comenzando con un chip de hígado.

El acuerdo puede expandirse en el futuro para cubrir chips de órganos adicionales, incluyendo riñón, modelos de pulmón e intestino.

La mecanobiología está integrando las ciencias físicas en la biología e impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías. Observando células en movimiento comprender y medir fuerzas a escala celular, y la creación de minimodelos de tejidos humanos en el laboratorio son solo el comienzo.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.