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Unos científicos han desarrollado una nueva estrategia para “programar” la forma de tejidos biológicos in vitro. Han demostrado por primera vez que es posible guiar la forma final de un tejido vivo controlando la orientación de sus células. La investigación abre la puerta a nuevas aplicaciones en ingeniería de tejidos, robótica biohíbrida y el diseño de materiales vivos inteligentes.
Este avance es obra de expertos del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), la Universidad Politécnica de Cataluña – BarcelonaTech (UPC), el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) en Barcelona y el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) en Alemania.
Los tejidos biológicos tienen una sorprendente capacidad para organizarse por sí mismos y cambiar de forma, un proceso impulsado por las fuerzas que generan sus propias células. Aprovechar este comportamiento natural para diseñar materiales vivos sintéticos capaces de adoptar formas predeterminadas es actualmente uno de los grandes retos de la bioingeniería. Ha venido siendo muy difícil controlar con precisión cómo se comporta un tejido y dirigir sus fuerzas internas para que adopte exactamente la forma deseada.
Los autores del nuevo estudio han ideado una nueva estrategia para “programar” estos cambios de forma, controlando, mediante patrones químicos, cómo se orientan las células dentro del tejido.
El resultado son tejidos vivos capaces de deformarse de forma controlada para generar estructuras tridimensionales reproducibles. Para Xavier Trepat, profesor de investigación contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en el IBEC, y coautor del estudio, esto es particularmente relevante:
“Estamos demostrando que podemos diseñar la forma que adoptará un tejido vivo controlando únicamente cómo se orientan sus células”, destaca el investigador, quien también es profesor en la Universidad de Barcelona (UB) y miembro del Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBERBBN), en España.
Los científicos plantean los resultados del estudio como una vía para diseñar superficies vivas que cambian de forma por sí mismas, con potenciales aplicaciones que van desde la ingeniería de tejidos hasta la robótica biohíbrida.
Células que se alinean y dan forma a tejidos
Los tejidos biológicos formados por células alargadas tienden a autoorganizarse generando dominios multicelulares donde todas las células se orientan en la misma dirección, como las fibras de un hilo en un tejido textil. Este es el denominado orden nemático.
En ocasiones, el orden nemático se rompe en puntos concretos, llamados defectos topológicos. Se trata de zonas localmente desordenadas, comparables a los remolinos o bifurcaciones que aparecen en una huella dactilar. En biología, estos defectos actúan como puntos de concentración de fuerzas, capaces de influir en cómo crecen, migran o incluso se deforman los tejidos.
“La orientación de las células controla las fuerzas, y las fuerzas pueden controlar la generación de una forma en tres dimensiones”, explica Pau Guillamat, investigador en el grupo de Dinámica Integrativa de Células y Tejidos del IBEC, y primer autor del estudio.
Para guiar estas fuerzas, el equipo utilizó el micropatronaje químico: “dibujaron” sobre superficies planas unas líneas de una proteína a la que las células se adhieren, rodeadas de zonas con un polímero al que las células no se adhieren. Gracias a estos patrones, las células se alinean siguiendo las líneas, creando el “mapa” de orientaciones deseado.
Esto permitió imponer defectos topológicos en posiciones exactas, algo que la naturaleza genera de forma espontánea, pero desordenada. “La clave es que podemos decidir dónde estarán estos defectos y, por tanto, dónde se generarán las fuerzas dentro del tejido”, comenta Guillamat.
El experimento crucial llegó cuando los investigadores despegaron el tejido del sustrato donde crecían las células. Mientras permanecía adherido, las fuerzas internas generadas por las células quedaban ancladas al soporte e impedían que el tejido cambiara de forma. Pero al eliminar esa restricción mecánica, la tensión acumulada pudo redistribuirse libremente.
“Es como una lámina elástica tensada y fijada por los bordes: mientras está sujeta no se deforma, pero al liberarla adopta una nueva geometría determinada por las tensiones internas”, explica Guillamat.
Eso mismo ocurre con el tejido celular: al despegarlo, se contrae y deforma rápidamente, y lo hace siguiendo las direcciones de tensión creadas por la orientación de las células y por los defectos topológicos.
Simulaciones que predicen la forma final
Para profundizar en el origen de las fuerzas y formas de los tejidos, así como para poder predecirlas, el equipo de Marino Arroyo, catedrático del Departamento de Ingeniería Civil
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