Los investigadores descubren cómo las células embrionarias perciben su entorno mecánico para formar tejidos de forma colectiva

La construcción de tejidos y órganos es una de las tareas más complejas e importantes que deben realizar las células durante la embriogénesis. Las células individuales no toman estas decisiones; más bien, construir tejido es una tarea colectiva que requiere que las células se comuniquen constantemente entre sí. Existen diferentes métodos de comunicación, incluidas señales químicas, similares al sentido del olfato de una célula, y también señales mecánicas, el sentido del tacto de la célula. Los investigadores en una variedad de campos han estado fascinados por la comunicación celular durante décadas y han descubierto cómo las células usan señales bioquímicas para ese propósito. Sin embargo, la forma en que las células utilizan su sentido del tacto para tomar decisiones durante la embriogénesis sigue siendo un misterio.

El profesor Otger Campàs es uno de esos investigadores. Ahora, con un artículo publicado en la revista Materiales de la naturaleza, él y su equipo de investigación nos acercan un paso más a desentrañar este misterio. En este trabajo, que se completó en su mayor parte en UC Santa Barbara, los investigadores informan cómo las células dentro de un embrión vivo prueban mecánicamente su entorno y qué parámetros mecánicos y estructuras perciben.

«Sabemos mucho sobre cómo las células detectan y responden a las señales mecánicas en un plato, pero sabemos muy poco sobre cómo lo hacen las células dentro de un embrión, donde su microambiente es muy diferente», dijo Campàs, ahora profesor de Física de la Vida. (PoL) Excellence Cluster de la Technisiche Universität Dresden, donde ocupa la cátedra de Tissue Dynamics y se desempeña como director gerente de PoL.

Esta detección mecánica colectiva ayuda a las células a tomar decisiones importantes, como dividirse o no, moverse o incluso diferenciarse, el proceso mediante el cual las células madre se convierten en células más especializadas capaces de realizar funciones específicas. Una pista importante surgió hace varios años, cuando se descubrió que las células madre colocadas en un sustrato sintético dependen en gran medida de señales mecánicas para tomar sus decisiones: las células en superficies con rigidez similar a la del hueso se convirtieron en osteoblastos (células óseas), mientras que las células en superficies con rigidez similar al tejido cerebral se convirtió en neuronas. Los hallazgos avanzaron enormemente en el campo de la ingeniería de tejidos, ya que los investigadores utilizaron estas señales mecánicas para crear andamios sintéticos para persuadir a las células madre para que se desarrollen en los resultados deseados. Estos andamios ahora se utilizan en una amplia gama de aplicaciones biomédicas.

Pero un plato o un andamio sintético no es el hábitat natural de la célula. Las células residen en tejidos que tienen características mecánicas muy complejas, dijo Campàs. Se desconoce qué señales mecánicas perciben las células dentro de un embrión mientras construyen un organismo, sin andamios externos y empujándose unas contra otras en tres dimensiones.

Hasta ahora. Usando un herramienta única desarrollado en el laboratorio de Campàs, los investigadores pudieron sondear el entorno mecánico nativo de la célula dentro de los embriones y averiguar qué cantidades físicas perciben las células en su búsqueda para decidir en qué convertirse.

«Estudiamos primero cómo las células prueban mecánicamente su microambiente a medida que se diferencian y construyen el eje del cuerpo de un vertebrado, a medida que se diferencian», dijo Campàs. «Las células usaban diferentes protuberancias para empujar y tirar de su entorno. Así que cuantificamos qué tan rápido y fuerte estaban empujando». Usando una gota de aceite ferromagnético que insertaron entre las células en desarrollo y las sometieron a un campo magnético controlado, pudieron imitar estas pequeñas fuerzas y medir la respuesta mecánica del entorno de las células.

Para las acciones de estas células embrionarias es fundamental su estado físico colectivo, que Campàs y su grupo de investigación encontraron en un papel anterior ser el de una espuma activa, similar en consistencia a la espuma de jabón o cerveza, con células agrupadas, pegadas y tirando unas de otras. Lo que las células están probando mecánicamente, descubrieron Campàs y su equipo, es el estado colectivo de esta «espuma viva» (cuán rígida es y cuán confinado está el conjunto) en lugar de la rigidez de las células individuales o estructuras dentro de ellas.

“Y justo en el momento en que las células se diferencian y deciden cambiar su destino, se produce un cambio en las propiedades materiales del tejido que perciben”, apunta Campàs. Según él, en el momento en que las células dentro del tejido deciden su destino, el tejido pierde rigidez.

Lo que aún no se ha probado en este estudio es si, y de ser así, cómo, el cambio en la rigidez en el entorno embrionario impulsa el cambio en el estado celular. Ese es un tema complejo que se explorará en futuras investigaciones, dijo Campàs. «Existe una interacción entre las características mecánicas de las estructuras que las células construyen colectivamente, como tejidos u órganos, y las decisiones que toman individualmente. Esta interacción es el núcleo de cómo la naturaleza construye organismos».

Los hallazgos de este estudio también podrían tener implicaciones importantes para la ingeniería de tejidos. Los materiales potenciales que imitan las características similares a la espuma del tejido embrionario, a diferencia de los andamios de polímero o gel sintéticos ampliamente utilizados, pueden permitir a los investigadores crear tejidos, órganos e implantes sintéticos más robustos y sofisticados en el laboratorio, con las geometrías adecuadas y características mecánicas para las funciones deseadas.