Inspirado en cómo la geometría influye en los sistemas físicos como la materia blanda, Los investigadores de la Universidad de Pensilvania han revelado conocimientos sorprendentes sobre cómo la física de las moléculas dentro de una célula afecta el comportamiento de la célula.

"Las células tienen un esqueleto al igual que nosotros tenemos un esqueleto, "dijo Nathan Bade, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, "y, como nuestro esqueleto, está rígido. Queríamos entender cómo ese rígido esqueleto respondería a la geometría ".

Los investigadores se centraron en las células del músculo liso vascular, que son los tipos de células que forman una gran parte de los vasos sanguíneos grandes en los mamíferos. Según Bade, los científicos podrían esperar que la célula intente evitar doblarse. Sin embargo, los investigadores encontraron que en una superficie cilíndrica las células forman en realidad esqueletos muy doblados. También encontraron que, manipulando el esqueleto de las células, pudieron recapitular el patrón de alineación del esqueleto que vieron in vivo.

"Lo más interesante que encontramos es que la geometría realmente importa en lo que respecta al comportamiento de las células, ", Dijo Bade." Creo que es algo que se ha pasado por alto un poco en comparación con la rigidez y otros factores ambientales importantes ".

La investigación fue dirigida por Bade, trabajando bajo la dirección de Kathleen Stebe, la profesora Richer &Elizabeth Goodwin en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y vicedecana de investigación e innovación; Randall Kamien, la profesora Vicki y William Abrams de Ciencias Naturales en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias; y Richard K. Assoian, profesor de farmacología en la Facultad de Medicina Perelman de Penn. Su artículo fue publicado en Avances de la ciencia .

"Ya sabemos que las células de los mamíferos interactúan con los límites, "Dijo Stebe." Por ejemplo, si las células se cultivan en superficies de diferente rigidez, se organizan de manera diferente. Eso nos hizo interesarnos en esta cuestión de la geometría:¿Puede una célula ver la forma de su límite? Y enfocamos nuestro trabajo inicial en estructuras de tipo cilíndrico porque son muy comunes en biología ".

Para investigar esto, Bade recubrió cilindros con moléculas que los hacen adherirse a las células y luego observó y recopiló información sobre cómo se comportaban las células cuando crecían en un límite curvo. Los investigadores utilizaron un potente microscopio confocal que les proporcionó información tridimensional sobre los sistemas.

Los investigadores pudieron tratar las fibras de estrés, el citoesqueleto activo dentro de las células, para que emitieran fluorescencia. Usando un láser para recolectar luz de secciones muy pequeñas de una muestra, el microscopio confocal eliminó toda la luz desenfocada. Esto produjo una imagen de alta resolución desde un plano estrecho que permitió a los investigadores ver que la población de fibras de estrés que se encuentran en la parte superior de la célula estaba alineada de manera diferente a otra población debajo.

Descubrieron que el tamaño del cilindro afectaba la respuesta de la celda:cuanto más grande era el cilindro, lo que da como resultado una geometría más plana, cuanto menos se alineen las fibras de tensión. Dado que los cilindros más pequeños tienen una curvatura mayor, las fibras de tensión se alinearon con más fuerza a su alrededor.

"Una población de fibras de tensión se alinea a lo largo del eje, y el otro envuelve el cilindro, "Dijo Stebe." Hay un patrón muy distinto; no es sutil. Entonces preguntamos por qué estaba pasando esto ".

Usando un medicamento diseñado específicamente para activar Rho dentro de las células y hacer que las fibras de estrés sean más gruesas y potencialmente más rígidas, los investigadores se propusieron ver si este aumento de rigidez disuadiría a las fibras de tensión de envolverse alrededor del cilindro. Pero, para su sorpresa, los investigadores encontraron que este tratamiento eliminó por completo las fibras alineadas a lo largo del eje y engrosó las fibras envueltas.

"La reorganización es muy llamativa, ", dijo Stebe." Pensamos en ello como las células haciendo cálculo; las células detectan y responden a la curvatura subyacente. Aparentemente, la curvatura es una señal que juega un papel muy importante tanto en la organización de la célula como en la microestructura dentro de la célula. Estas poblaciones de fibras de estrés se pueden manipular con medicamentos que cambian la rigidez, entre otras cosas. Y, después de estas manipulaciones, las fibras de tensión mantienen alineaciones muy fuertes. Este no es el argumento habitual para la formación de patrones en biología ".

Para dar seguimiento a estos resultados, el equipo está realizando más investigaciones sobre señales de curvatura y geometrías y límites más complejos.

"Los resultados de este documento son realmente interesantes, "Bade dijo, "pero nos dejó un montón de preguntas abiertas. Una de ellas es comprender realmente los detalles mecánicos. Lo que está sucediendo exactamente con la célula para hacer que una población esté muy doblada y la otra muy recta sigue siendo un misterio para nosotros. Además, ahora estamos en el proceso de hacer superficies curvas más complejas para ver cómo responden las células cuando se enfrentan a un campo de curvatura mucho más desafiante ".

Según Bade, Esta investigación ha producido un hallazgo fundamental que arroja luz sobre cómo las células interactúan con su entorno, lo cual es crucial para comprender qué están haciendo las células dentro del cuerpo humano.

"Ha habido un trabajo pionero en la Universidad de Pensilvania para comprender cómo las células perciben la rigidez, "Bade dijo, "que es un estímulo ambiental que no es una señal química soluble. Y eso resulta ser muy importante en el cáncer y todo tipo de enfermedades. Creo que comprender cómo las células perciben y responden a la geometría también es importante".

Los investigadores también han demostrado que, en el nivel más básico, pueden modelar la estructura interna de la célula. Los patrones en esas estructuras tienen implicaciones importantes en los comportamientos de las células posteriores, como la migración y la proliferación. La capacidad de estas células para dividirse y migrar rápidamente puede verse influenciada por la geometría y la curvatura.

"De la capacidad de organizar surge la capacidad de interrogar, "Dijo Assoian." Esta podría ser una buena herramienta que nos permita organizar la célula y su subestructura para otros interrogatorios. También es una cuestión interesante de si está construyendo estructuras a partir de células, ¿Esta organización de la célula y sus subestructuras da alguna respuesta nueva en células por lo demás idénticas? Sería muy interesante trabajar en equipo con personas que están pensando en cómo aprovechar las células en la cicatrización de heridas, o interacciones entre células para implantes.

"Además de la nueva información sobre los principios fundamentales que utilizan las células para interpretar las geometrías de la superficie, esta investigación podría ser de gran alcance para comprender cómo las células del músculo liso y sus citoesqueletos contribuyen a la formación de vasos sanguíneos durante el desarrollo y quizás incluso cómo remodelan sus vasos en la enfermedad vascular. Y como encontramos que esta respuesta a la geometría no se limita a las células del músculo liso, la detección de geometría podría convertirse en una nueva frontera en una amplia gama de biologías ".

Stebe dijo, "Eso es lo divertido de la ciencia y la ingeniería:una pequeña herramienta nueva puede tocar todo lo demás. Y este hallazgo es una reorganización dramática. Entonces, ¿qué más toca?"