alt=Mecanobiología|miniaturadeimagen|Esquema interacciones mecanoquímicas de la célula. La mecanobiología celular (mecano que deriva de mecánica, bios que significa vida, y -logía, que significa estudio) es una ciencia multidisciplinar que se ocupa del comportamiento de las células cuando son sometidas a cargas mecánicas y las diversas respuestas y mecanismos de transducción que llevan a cabo.
Las cargas mecánicas modulan morfológica y estructuralmente los tejidos vivos, induciendo en ellos cambios en su composición, y en sus funciones. Estos cambios se deben a alteraciones en la matriz extracelular, causadas por las células, las cuales son capaces de sentir fuerzas mecánicas y convertirlas en respuestas biológicas. Mecanobiología se define como el estudio de los mecanismos mediante los cuales las células son capaces de detectar y responder a estímulos mecánicos, la importancia de esta disciplina multidisciplinar radica en que dichos estímulos juegan un papel muy importante en la diferenciación y desarrollo celular debido a que la carga mecánica que experimentan las células afecta a la proliferación celular y a los genes de la matriz extracelular, pudiendo provocar de esta manera alteraciones fisiológicas y patológicas.
Esta ciencia se originó a partir de la comprensión del efecto de las cargas mecánicas en la remodelación ósea. Es por eso, que el principio de mecanobiología y el análisis de su importancia en cuanto a la diferenciación celular durante la remodelación ósea sirve de precedente para generalizar esta ciencia. Por lo tanto, sus primeros pasos se basaron en la Ley de Wolff (1892) que como principio dice que el hueso tiende a optimizar su estructura con un tamaño mínimo para una máxima resistencia.
La mecanobiología es abordada tanto desde un punto de vista experimental como teórico. La aproximación experimental conlleva la aplicación de cargas y estímulos mecánicos a los tejidos y células, y la observación directa de los efectos; mientras que la llamada Mecanobiología Computacional intenta determinar las reglas cuantitativas que gobiernan los efectos mecánicos de la diferenciación, crecimiento y adaptación celular, dependiendo de la geometría y de las propiedades de los materiales.
La finalidad de la mecanobiología celular es definir los estímulos mecánicos que producen una reacción u otra sobre las células, es decir, determinar cuál es el estímulo encargado de desencadenar cada una de las posibles respuestas biológicas celulares específicas. Estas respuestas biológicas son procesos como la diferenciación celular, el crecimiento celular, la remodelación tisular o su mantenimiento.
El estudio de las propiedades mecánicas de las células se puede realizar por medio de micro manipulación. Las técnicas de micro-manipulación incluyen microscopía de fuerza atómica, técnicas ópticas, como el uso de pinzas ópticas, aspiración con micropipeta, técnicas acústicas, de flujo, micropilares y microscopía de fuerza por tracción, técnicas magnéticas y métodos de simulación computacional.
Microscopía de fuerza atómica(AFM) La microscopía de fuerza atómica, también conocida como Atomic Force Microscopy (AFM) en inglés, es una técnica óptica capaz de caracterizar superficies nanométricas, con magnitudes inferiores al límite óptico de difracción. Además proporciona mayor resolución que otras técnicas como: pinzas ópticas, técnicas magnéticas o la micropipeta.
En 1986, Binnig et al. introdujo un nuevo tipo de microscopio que era capaz de estudiar las superficies de materiales aislantes a escala a atómica.
Modos de empleo/uso
La técnica se basa en la medida de la interacción atómica, entre la punta y la superficie de la muestra. El valor de la fuerza de interacción es de µN a nN, esta depende de la distancia de la punta (normalmente de silicio o nitruro de silicio) y la superficie.
A medida que el piezoeléctrico escanea los ejes horizontales, la palanca (cantiléver) que sostiene la punta se flexiona arriba o abajo en eje vertical. Siguiendo la ley de Hooke, esta deflexión se detecta mediante un láser, que incide sobre un fotodetector, que se encarga de seguir la evolución de la sonda del microscopio.
Figura 1. Instrumentación AFM
En esta técnica se usan tres modos que se muestran a continuación:
Modo de contacto En este modo la punta se encuentra en contacto con la muestra en todo momento. La fuerza que se ejerce con la aguja es constante y se pueden detectar movimientos verticales de la punta del cantiléver inferiores a los Angstrom. Se pueden medir muchos tipos de muestras, además de obtener la información de su elasticidad. En cambio, al tener la punta continuamente en contacto con la superficie es más fácil que esta se desgaste o se deteriore. Hay diversas propiedades mecánicas a nano-escala que se pueden determinar gracias a este modo como por ejemplo el módulo elástico, la fuerza, la adhesión o la fricción Modo de no-contacto Consiste en hacer vibrar al cantiléver cerca de la zona de la superficie a una distancia de entre 10 a 100 Å(Angstrom). Se utiliza para muestras en las que no se quiere dañar su superficie. Como principales ventajas está la posibilidad de medir diferentes gradientes de fuerzas en la muestra y la no contaminación ni deterioro de estas. Como desventajas, la obtención de una resolución menor. Modo de contacto intermitente (“tapping mode”) Con la intención de solucionar el problema de desgaste de la superficie de la muestra por la punta, se utiliza este modo. El contacto de la punta con la superficie es intermitente a lo largo del barrido. La señal se obtiene midiendo la amplitud que genera la amortiguación de la punta sobre la superficie.
Aplicaciones biomédicas:
Esta técnica ha sido utilizada no solamente para la caracterización de la topografía de diversos materiales, sino también para el estudio de la mecánica de diferentes sistemas biológicos.
Uno de los estudios se ha realizado en linfocitos. Hu et al. (2009), presentaron un estudio de la arquitectura de la membrana celular de los linfocitos y su respuesta mecánica en tres estadios del ciclo de la vida de la célula: reposo, activación o tras experimentar muerte celular programada (apoptosis).
Otro estudio ha sido realizado por Daniel Navajas et al (2016) para medir la mecánica de la ECM (matriz extracelular) en la escala en la que las células investigan las características mecánicas de su microambiente.
Aspiración con micropipeta La aspiración con micropipeta es una técnica experimental que permite el estudio del comportamiento mecánico de las células de forma individual y su interacción mecánica con el entorno. Con el mismo objetivo destacan también otros procedimientos como la microscopia de fuerza atómica (AFM), la citometría óptica, etc.
En esta técnica se genera una fuerza de succión que provoca una deformación en la superficie de la célula mediante su extensión hacia el interior de la micropipeta. Posteriormente, se analiza la longitud aspirada para conocer el comportamiento de la célula y calcular los parámetros elásticos y viscoelásticos que la caracterizan. Otra aplicación novedosa de esta técnica es la caracterización de la adhesión celular. Es una de las menos exigentes para implementar en un laboratorio, además de ser una técnica muy extendida y aceptada en bibliografía. Por el contrario, presenta algunas desventajas como que las medidas son más complicadas y requieren procesado de imagen digital posterior.
Análisis datos obtenidos experimentalmente Las deformaciones sufridas por las células son del orden de los μm y las fuerzas necesarias para deformarlas varían entre 10 pN y 1 nN según la rigidez de las mismas. Es por esto que las tensiones y presiones medidas serán del orden de los pN/μm2 o nN/ μm2 (equivale a Pa o kPa, respectivamente).
La fuerza (F) a la que se somete una célula estática en la micropipeta viene dada por el producto de la presión de succión y el área transversal de la micropipeta, ecuación (1). Sin embargo, la célula puede estar en movimiento debido al estiramiento de las microvellosidades; en este caso la fuerza viene determinada por la ecuación (2). miniaturadeimagen|Figura 1. Esquema de la realización del ensayo de aspiración con micropipeta. ∆P presión de succión. Rp radio de la micropipeta. Rc radio de la célula. Lp longitud de la célula aspirada. (1)
(2)
Donde Ut es la velocidad de unión y Uf es la velocidad de movimiento libre. El resto de los parámetros quedan reflejados en la figura 1 de la realización del ensayo.
La tensión superficial que sufre la membrana celular durante la aspiración puede explicarse mediante la Ley de Laplace para una esfera de pared delgada. Si consideramos que la longitud aspirada es igual al radio de la micropipeta (punto crítico), la tensión superficial queda determinada por la ecuación (3).
(3) Donde Patm es la presión atmosférica, Pp es la presión en el interior de la micropipeta y N es la ley de Laplace para una esfera de pared delgada (ej.: valores experimentales en neutrófilos N~35 [N/m]).
Modelos de comportamiento Los modelos de comportamiento de esta técnica vienen determinados por la linealidad entre el cociente y la presión de succión aplicada (∆P). Esto permite determinar si la célula se encuentra en un estado sólido o líquido.
Para valores inferiores al punto crítico , relación esférica o semiesférica), se observa una relación lineal puesto que la célula se deformará a volumen constante. Por encima de este valor crítico ( ) se puede distinguir: miniaturadeimagen|Figura 2. Gráfica de posibles comportamientos de la célula en la aspiración con micropipeta
Líquido: Se tiene un comportamiento como líquido si la célula fluye al interior de la micropipeta. Esto es debido a que el radio de la célula fuera de la pipeta disminuye mientras que su recíproco aumenta. Este comportamiento se observa en células como los neutrófilos.
Sólido: Las células no se introducirán en la micropipeta y seguirán un comportamiento lineal por encima del punto crítico comportándose como sólido elástico debido a la rigidez de corte de la membrana que le otorga una resistencia a la cizalladura. Algunas de estas células son los condrocitos, eritrocitos o células endoteliales.
Modelos de simulación para el procesado de datos
Para la simulación de esta técnica se han desarrollado modelos numéricos axisimétricos de elementos finitos donde se tiene en cuenta, el contacto de la célula con la micropipeta y la no linealidad intrínseca del problema, para poder determinar tanto el módulo de elasticidad como la relación de Poisson.
Estos modelos pueden implementarse en tecnologías futuras para la medición automática de propiedades mecánicas de células, basándose en esta técnica y también en el tránsito celular a través de constricciones de flujo. miniaturadeimagen|Figura 3. Modelo axisimetrico. Célula deformada por la aspiración de la micropipeta. Simulación realizada por el software ABAQUS Estos modelos pueden implementarse en futuras tecnologías para la medición automática de propiedades mecánicas de células. El problema mecánico y la no linealidad de la estructura requiere el uso de técnicas de elementos finitos, así como un proceso iterativo de cálculo para simular la carga de la célula. Se simula la micropipeta como una superficie rígida donde se produce el contacto con la célula. El contacto entre la célula esférica y la superficie del microcapilar se supone sin fricción.
En la figura 3 se puede ver un ejemplo de la aplicación de un modelo axisimétrico con algunas aproximaciones donde se aprecia la célula deformada.
Técnicas ópticas
Técnicas eléctricas en Mecanobiología Celular
El uso de técnicas eléctricas se encuentra ampliamente desarrollado y son dos los campos en que más se está investigando: desarrollo de sensores basados en sistemas microelectromecánicos (MEMS) y aplicación de campos eléctricos para estimulación celular. Sistemas microelectromecánicos (MEMS)