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miércoles, 7 de diciembre de 2016

Las fuerzas mecánicas de construcción de un organismo vivo

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Una nueva y poderosa técnica desarrollada en UCSB revela el ambiente mecánico de las células en su hábitat natural, en el embrión vivo.

Ya sea construyendo órganos o manteniendo sanos los tejidos adultos, las células usan señales bioquímicas y mecánicas de su entorno para tomar decisiones importantes, como convertirse en neurona, en una célula de la piel o en una célula del corazón. Los científicos de la Universidad de Santa Barbara han desarrollado una nueva y poderosa técnica que revela por primera vez el ambiente mecánico que las células perciben en los tejidos vivos, su inalterado hábitat tridimensional natural.
"Saber cómo las células responden a las señales mecánicas en el embrión vivo, y cómo esculpen físicamente los tejidos y órganos en un espacio tridimensional transformará la forma en que pensamos los procesos de desarrollo", apuntó Otger Campàs, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de UCSB y autor principal en del estudio que aparece en el journal Nature Methods. "Es importante, este conocimiento nos ayudará a comprender mejor la homeostasis de los tejidos sanos y una amplia gama de enfermedades que involucran la mecánica tisular anormal, especialmente el cáncer".

El crecimiento y desarrollo de un organismo vivo es una coreografía de movimientos y comportamientos celulares que siguen alineamientos genéticos internos y señales bioquímicas y mecánicas específicas. Todos estos eventos conspiran en el tiempo para crear una variedad de formas y texturas complejas que hacen que nuestros tejidos y órganos funcionen. Los científicos se han centrado durante décadas en el papel de las señales bioquímicas en el desarrollo embrionario, señalaba Campàs, porque no existían técnicas para medir las señales mecánicas a las que las células están expuestas durante la formación de tejidos y órganos.

"Sabemos que el entorno mecánico de las células es importante", explicó Campàs, que tiene la cátedra UCSB Mellichamp en Biología de Sistemas y Bioingeniería. "El cultivo de células madre en superficies sintéticas, con diferentes niveles de elasticidad, mostró que las células madre se convertían en un tipo de célula diferente dependiendo únicamente del entorno mecánico que percibían. Si ponemos las células madre embrionarias sobre un sustrato como Jell-O —mecánicamente similar al tejido cerebral—, se convierten en neuronas. Pero si se ponen en algo más duro, similar al hueso embrionario, se convierten en células de hueso. "

Hasta ahora, los científicos no tenían medios para estudiar las características mecánicas de los entornos celulares nativos, es decir, las células rodeadas por otras células y el andamiaje matriz dentro de los tejidos vivos. Como consecuencia, no era posible saber cómo las células respondían a las señales mecánicas que percibían para construir tejidos y órganos.

"La técnica que hemos desarrollado permite medir propiedades mecánicas como la rigidez y la viscosidad dentro de los tejidos vivos", señalaba el autor Friedhelm Serwane, actualmente en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania. "Esto es emocionante, porque importantes funciones celulares están controladas por esas propiedades mecánicas. Si podemos medirlas dentro de los organismos vivos podremos entender mejor cómo funciona esta relación entre la mecánica y la biología."

La clave de este método son unas pequeñas gotitas, magnéticamente sensibles, insertadas entre las células del embrión en desarrollo. Cuando se exponen a un campo magnético, estas gotitas magnéticas se deforman, empujando a las células vecinas. Controlando cuidadosamente la composición de las gotitas y la fuerza del campo magnético, las fuerzas aplicadas por la gotita pueden ser controladas, y de esta forma, la respuesta del tejido circundante revela sus características mecánicas, así como las señales a las que las células están expuestas conforme crece el tejido. Esta técnica es complementaria a una metodología anterior, desarrollada por Campàs y sus colegas, que reveló las fuerzas que se aplican entre sí las células en los tejidos en crecimiento.

Los científicos aplicaron esta nueva técnica para estudiar cómo se construye mecánicamente el eje del cuerpo de los vertebrados. Usando embriones de pez cebra, que fue seleccionado por su rápido desarrollo y transparencia óptica, pudieron demostrar que las propiedades mecánicas del tejido cambian a lo largo del eje del cuerpo, facilitando la extensión del cuerpo en su extremo posterior. Al insertar las gotitas magnéticas en diferentes lugares del tejido y generar dichas fuerzas aplicando un campo magnético a las gotitas, demostraron que el tejido se comporta como un fluido mientras va creciendo, con características mecánicas similares a la miel densa. Los datos mostraron que el tejido es más fluido en el extremo posterior donde estaba creciendo, y menos fluido cuanto más lejos de la región en crecimiento.

Estos hallazgos tienen amplias implicaciones en el esfuerzo por entender cómo los órganos van esculpiendo sus formas, y cómo las células responden a su entorno mecánico nativo tanto en tejidos sanos como durante la enfermedad. El laboratorio de Campàs está estudiando varias de estas preguntas, incluyendo cómo se construyen las extremidades, y cómo los cambios mecánicos en los tumores afectan al comportamiento de las células malignas y al crecimiento del tumor.

Las investigaciones realizadas en este documento también fueron realizadas por Alessandro Mongera, Payam Rowghanian, David A. Kealhofer, Adam A. Lucio y Zachary M. Hockenbery. El proyecto recibió el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.

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Ref. The Current UC Santa Barbara, por Sonia Fernandez 5 dic. 2016
"Using the force" vía Eurek Alert.org.
Imagen: By exposing a magnetically responsive droplet (purple) to a magnetic field, the scientists are able to exert pressure on the surrounding embryonic cells in order to study their response to mechanical forces
Crédito: Courtesy Image
Vídeo: tissue morphogenesis research .

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