Microestructuras inteligentes de hidrogel permiten aplicar fuerza con precisión a sistemas celulares
Dentro de los tejidos, las células están incrustadas en complejas estructuras tridimensionales conocidas como matriz extracelular. Sus interacciones biomecánicas desempeñan un papel crucial en numerosos procesos biológicos. Científicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han desarrollado un novedoso sistema lab-on-a-chip basado en estructuras inteligentes de hidrogel que permite aplicar fuerzas de presión precisas a microentornos celulares. El método recién presentado podría encontrar futuras aplicaciones en el diagnóstico médico de trastornos mecánicos en tejidos vivos.
Microestructuras de hidrogel fotosensible incrustadas en una red de colágeno. La microestructura en primer plano se ilumina con un láser verde, lo que provoca su contracción. Esto remodela la red de colágeno y ejerce fuerzas sobre las células circundantes.
Copyright: Vicente Salas-Quiroz
Biomecánica celular simulada con el método lab-on-a-chip
La remodelación mecánica del microentorno extracelular desempeña un papel crucial en procesos biológicos como el desarrollo y mantenimiento del equilibrio fisiológico (homeostasis) y la cicatrización de heridas. Su reproducción en el laboratorio puede ayudar a comprender mejor las causas de los cambios patológicos. Sin embargo, los métodos instrumentales anteriores no podían integrarse en los sistemas lab-on-a-chip y sólo ofrecían una precisión limitada. El equipo dirigido por la Dra. Katja Zieske, jefa del grupo de investigación independiente "Biofísica molecular y materia viva" del MPL, presenta ahora un nuevo método que puede utilizarse para simular perturbaciones mecánicas espacial y temporalmente controladas de redes de polímeros biológicos en un sistema lab-on-a-chip. De este modo, es posible examinar microscópicamente los procesos biológicos que tienen lugar durante tales perturbaciones.
Hidrogeles inteligentes como micromáquinas
Los científicos utilizan microestructuras de hidrogeles inteligentes. Estos potentes materiales consisten en polímeros que responden a estímulos como la luz o la temperatura cambiando su estructura. En función del estímulo, se contraen o se expanden. Los investigadores del MPL aprovecharon estas propiedades para ejercer fuerzas biomecánicas específicamente definidas sobre redes de polímeros biológicos como el colágeno. Además, los científicos pudieron evaluar la compatibilidad del sistema con células vivas.
En primer lugar, el equipo de Zieske produjo y optimizó microestructuras de hidrogel termoresponsivas en cámaras de flujo. La expansión de las microestructuras de hidrogel se probó bajo estimulación de temperatura controlada en el tiempo para comprimir diversas redes moleculares, como Matrigel, una mezcla de proteínas en forma de gel y una red de colágeno. Tras la compresión, se midió la deformación asociada. Mientras que Matrigel se deformó plásticamente, el colágeno se relajó elásticamente. Al imitar las fuerzas de presión celular mediante microestructuras de hidrogeles inteligentes, el equipo de Zieske ha desarrollado un sistema nuevo y versátil con fines de investigación. Los estudios futuros podrían centrarse en la remodelación de la matriz extracelular, así como en los efectos de las fuerzas mecánicas sobre su microentorno celular, tanto en contextos fisiológicos como patológicos.
"Nuestro método nos permite generar fuerzas mecánicas con gran precisión espacial y temporal, y registrar sus efectos en los sistemas biológicos. En el colágeno, fuimos capaces de detectar los cambios desencadenados por estas fuerzas incluso a distancias de cientos de micrómetros mediante el seguimiento de microesferas fluorescentes", afirma Vicente Salas-Quiroz, primer autor del trabajo presentado. "Nuestra visión es desarrollar microestructuras inteligentes para el diagnóstico médico con el fin de contribuir a un sistema sanitario sostenible; por ejemplo, en la investigación de sistemas de modelos celulares en 3D, como modelos de cáncer y modelos para la formación de vasos sanguíneos". Las microestructuras inteligentes de hidrogel en sistemas lab-on-a-chip podrían servir en el futuro como micromáquinas para manipular modelos de tejidos a escala micrométrica. Vemos aquí un gran potencial para el diagnóstico", añade Zieske.
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