Al aplicar un "nano-empuje" a las células vivas y monitorear los cambios resultantes en el entorno intracelular, los investigadores han podido vislumbrar por primera vez cómo responden las células enteras a la presión mecánica externa.

Un equipo dirigido por científicos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón, utilizó una técnica llamada microscopía de fuerza atómica para aplicar fuerza a través de la superficie de varias células. El método utiliza sondas a nanoescala, con puntas de apenas unas milmillonésimas de metro de tamaño, para medir y mapear cómo se distribuye la fuerza por la superficie celular y por toda la célula.

Los investigadores utilizaron el aprendizaje automático para analizar y modelar las fuerzas que midieron. También utilizaron técnicas de fijación y tinción para estudiar cómo la fuerza de distorsión afectaba las estructuras internas de la célula y los microtúbulos y filamentos de actina que forman su "esqueleto".

El estudio fue publicado en la revista Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados. .

"Las células son materiales inteligentes que pueden adaptarse a diversos estímulos químicos y mecánicos de su entorno", afirma Jun Nakanishi, uno de los autores correspondientes del estudio y líder del Grupo de Mecanobiología del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales. Esa capacidad de adaptación depende de mecanismos de retroalimentación rápida para mantener la célula intacta y saludable, y cada vez hay más evidencia de que la falla de esta respuesta celular es la base de una variedad de dolencias, incluidas la diabetes, la enfermedad de Parkinson, los ataques cardíacos y el cáncer.

Hasta ahora, los estudios de estas respuestas celulares se han visto limitados por las técnicas utilizadas; por ejemplo, algunos métodos requieren que las células estén equipadas previamente con sensores, por lo que sólo pueden medir una pequeña parte de la respuesta. "Inventamos una forma única de 'tocar' una célula con una 'mano' a nanoescala, de modo que la distribución de la fuerza sobre una célula completa pudiera mapearse con resolución nanométrica", dice Hongxin Wang, primer autor del estudio y JSPS. postdoc en el Grupo de Mecanobiología.

El estudio reveló que las fuerzas de tensión y compresión se distribuyen a través de fibras de actina y microtúbulos dentro de la célula para mantener su forma, de forma similar a como funcionan los postes y cuerdas de una tienda de campaña. Cuando los investigadores desactivaron la función portadora de fuerza de las fibras de actina, descubrieron que el propio núcleo también participa en el contrapeso de las fuerzas externas, destacando el papel de la estructura interna del núcleo en la respuesta celular al estrés.

El equipo de investigación también comparó las respuestas de células sanas y cancerosas. Las células cancerosas demostraron ser más resistentes a la compresión externa que las células sanas y tenían menos probabilidades de activar la muerte celular en respuesta.

Los hallazgos no solo iluminan la compleja mecánica intracelular de la respuesta al estrés, sino que el descubrimiento de diferentes respuestas en las células cancerosas podría ofrecer una nueva forma de distinguir las células sanas de las cancerosas:una herramienta de diagnóstico basada en la mecánica celular.

Actualmente, los hospitales utilizan el tamaño, la forma y la estructura de una célula para diagnosticar el cáncer. Sin embargo, estas características no siempre proporcionan suficiente información para diferenciar entre células sanas y enfermas.

"Nuestros hallazgos proporcionan otra forma de comprobar las condiciones de las células midiendo la distribución de la fuerza, lo que podría mejorar drásticamente la precisión del diagnóstico", afirma Han Zhang, otro autor correspondiente del estudio e investigador principal del Grupo de Microscopía Electrónica del NIMS.

Más información: Hongxin Wang et al, Mapeo del estrés dentro de las células vivas mediante microscopía de fuerza atómica en respuesta a estímulos ambientales, Ciencia y tecnología de materiales avanzados (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2265434

Información de la revista: Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados

Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales