Micrografía electrónica del andamio "vacío" (sin hidrogel) que un equipo de investigación internacional utilizó para deformar células individuales. Crédito:Marc Hippler, EQUIPO
El comportamiento de las células está controlado por su entorno. Además de factores biológicos o sustancias químicas, También intervienen fuerzas físicas como la presión o la tensión. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y la Universidad de Heidelberg desarrollaron un método que les permite analizar la influencia de fuerzas externas en células individuales. Usando un proceso de impresión 3-D, produjeron microandamios, cada uno de los cuales tiene cuatro pilares sobre los que se ubica una celda. Activado por una señal externa, un hidrogel dentro del andamio se hincha y separa los pilares, de modo que la célula debe "estirarse". El trabajo es parte del Clúster de Excelencia "3-D Matter Made to Order" (3DMM2O). Los investigadores informan sobre sus resultados en Avances de la ciencia .
Muchos procesos biológicos celulares, como la cicatrización de heridas o el desarrollo de tejido, 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 de 3DMM2O ha adoptado un enfoque particularmente ingenioso para esta cuestión. Para la producción de sus "bastidores de estiramiento", utilizaron "escritura láser directa, "un proceso de impresión 3D especial en el que un rayo láser controlado por computadora se enfoca en un líquido de tinta de impresora especial. Sus moléculas reaccionan solo en las áreas expuestas y forman un material sólido allí. Todas las demás áreas permanecen líquidas y pueden lavarse . "Este es un método establecido en nuestro Grupo de Excelencia para construir estructuras tridimensionales, en la escala micrométrica e inferior, "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, hecho de material repelente de proteínas, se utilizó para formar el microandamio real. Usando una segunda tinta de material atrayente de proteínas, luego produjeron cuatro barras horizontales que están conectadas a uno de los pilares del andamio cada una. La celda está anclada a estas cuatro barras. El verdadero espectáculo sin embargo, es la tercera tinta:los científicos la utilizaron para "imprimir" una masa dentro del andamio. Si luego agregan un líquido especial, el hidrogel se hincha. De este modo, desarrolla una fuerza suficiente para mover los pilares y las barras con ellos. Esta, Sucesivamente, tiene el efecto de estirar la celda que está fijada a las barras.
Imágenes de microscopio óptico de células embrionarias de ratón teñidas en su estado normal (izquierda) y estirado (derecha). Las flechas rojas indican las fuerzas que actúan sobre las células. Crédito:Marc Hippler
Las células contrarrestan la deformación
Los científicos del Cluster of Excellence colocaron dos tipos de células completamente diferentes en su soporte de microestiramiento:células tumorales óseas humanas y células embrionarias de ratón. Descubrieron que las células contrarrestan las fuerzas externas con proteínas motoras y, por lo tanto, aumentan en gran medida sus fuerzas de tracción. Cuando se elimina la fuerza de estiramiento externa, las células se relajan y vuelven a su estado original. "Este comportamiento es una demostración impresionante de la capacidad de adaptarse a un entorno dinámico. Si las células no pudieran recuperarse, ya no cumplirían su función original, por ejemplo, el cierre de heridas, "dice el profesor Martin Bastmeyer del Instituto Zoológico de KIT.
Como descubrió el equipo, 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 genéticamente modificadas que no pueden producir NM2A apenas pudieron contrarrestar la deformación externa.
El trabajo en el grupo de excelencia fue realizado por científicos de Heidelberg del campo de la química biofísica, así como de la física y la neurobiología celular y de KIT. Los miembros del Consorcio Universitario Alemán-Japonés HeKKSaGOn incluyen, entre otros, Universidad de Heidelberg, Instituto de Tecnología de Karlsruhe y Universidad de Osaka.
