Los ingenieros de ETH Zurich han descubierto que el tejido biológico blando se deforma de manera muy diferente bajo tensión de lo que se suponía anteriormente. Sus hallazgos ya se están utilizando en proyectos de investigación médica.

En el útero, el feto flota en un saco amniótico lleno de líquido amniótico. El buen desarrollo del bebé depende de que este saco permanezca intacto. Sin embargo, Es posible que el recipiente protector se rompa después de intervenciones como la amniocentesis o la cirugía fetal, o incluso de forma espontánea.

El tejido estirado pierde volumen

Tomando tales problemas médicos como punto de partida, investigadores del grupo liderado por Edoardo Mazza, Profesor del Instituto de Sistemas Mecánicos de ETH Zurich, estudió cómo partes del saco amniótico, y otros tejidos biológicos blandos, deformarse bajo una carga de tracción. Uno de sus hallazgos más importantes y sorprendentes es que el tejido pierde masa a medida que se estira, con un estiramiento fisiológico del 10 por ciento que conduce a una pérdida promedio de alrededor del 50 por ciento.

"Esto contradice el paradigma imperante de que, aunque ese tejido biológico blando puede deformarse significativamente, su volumen permanece sin cambios, "explica Mazza. Al tomar medidas de muestras de tejido, su grupo pudo demostrar que el volumen se pierde debido a que el líquido almacenado entre las células y las fibras de colágeno en el tejido se escapa del área estirada.

Interacción entre mecánica y química

Alexander Ehret, líder de equipo en el grupo de Mazza, y sus colegas utilizaron extensas simulaciones por computadora para aclarar el mecanismo responsable de esto. La base es la alineación de las fibras de colágeno en el tejido. Las fibras forman una especie de red tridimensional, en el que corren en todas direcciones dentro de un plano, mostrando solo una ligera inclinación fuera del plano.

Si se tira de esta red, todas las fibrillas de colágeno que se encuentran más o menos en la dirección del tirón se acercan en un movimiento similar a una tijera, exprimir el líquido del tejido. Las fibras no están dañadas, ya que se desplazan principalmente hacia el plano y solo se estiran ligeramente.

La pérdida de volumen es reversible. Cuando el tejido se relaja de nuevo, reabsorbe el agua del tejido circundante. "La razón son las macromoléculas cargadas negativamente que están unidas firmemente a las fibras de colágeno, "explica Mazza. Hacen que el agua regrese al tejido de acuerdo con los principios de la ósmosis. En experimentos, este proceso se puede repetir una y otra vez.

Poner tejido a prueba

Esta densificación de las fibras de colágeno es extremadamente útil, particularmente en el caso de lesiones, como descubrieron los científicos en experimentos posteriores:si se corta un trozo tenso de tejido biológico blando, se forma una grieta, pero las fibras de colágeno se juntan en la punta del desgarro. "Si el tejido se estira más, este refuerzo suele ser suficiente para evitar que la lágrima crezca, "explica Ehret.

Los investigadores han pasado la última década desarrollando dispositivos dedicados, ayudas y protocolos que utilizan para analizar el comportamiento mecánico de los tejidos biológicos blandos. Como resultado, Han sido capaces de estirar trozos de tejido grandes y microscópicamente pequeños en una o varias direcciones, por ejemplo, a través de la inflación. También lograron cuantificar la respuesta del tejido y describir y explicar los efectos observados utilizando simulaciones por computadora basadas en algoritmos. que también ellos mismos desarrollaron.

Aplicaciones médicas directas

Sin embargo, Mazza y Ehret no solo estaban interesados ​​en comprender cómo se comporta el tejido bajo una carga de tracción. "Somos ingenieros, "dice Mazza. Como tal, prefieren trabajar en soluciones a problemas de la vida real. Por lo tanto, los nuevos hallazgos se incorporan directamente para abordar desafíos médicos específicos, como "ingeniería de tejidos", la producción artificial de tejido biológico destinado a regenerar o reemplazar tejido dañado en pacientes.

Según sus nuevos hallazgos, los investigadores quieren observar primero los sustratos sobre los que crece el tejido.

"Nuestro objetivo es crear las condiciones fisiológicamente más precisas para el tejido diseñado, es decir, imitar la naturaleza lo más fielmente posible, "dice Mazza. Él y sus colegas están convencidos de que las células del tejido en crecimiento reciben señales del sustrato que luego juegan un papel importante en la determinación de las propiedades del tejido de reemplazo.

Los científicos otorgan un papel fundamental a la interacción entre la química y la mecánica. "Es vital que el sustrato tenga las propiedades correctas, incluyendo en particular la interacción correcta entre macromoléculas cargadas y fibras de colágeno, "Explica Ehret.

Piel nueva para víctimas de quemaduras

Los investigadores planean participar en un proyecto en el Hospital Infantil de la Universidad de Zúrich que tiene como objetivo cultivar piel de reemplazo para las víctimas de quemaduras de manera más rápida y efectiva. Esta colaboración se llevará a cabo en el marco del proyecto insignia Skintegrity operado por University Medicine Zurich. Los investigadores presentaron una propuesta de proyecto correspondiente a la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza a finales de septiembre.

Sin embargo, El grupo de Mazza ya está aplicando su conocimiento experto a un proyecto en el Hospital Universitario de Zurich que se ocupa de los desgarros en el saco amniótico. Este proyecto inicialmente buscaba determinar las propiedades requeridas por el tejido para reparar tales lesiones. Ahora, su atención se ha centrado en la pregunta de por qué ocurren estas lágrimas en primer lugar. Cuando se trata de este tipo de cuestiones, los ingenieros se sienten en su elemento. "Para poder hacer una contribución a tales proyectos médicos, "dice Mazza, "es muy motivador".