Creen teixits vius capaços de canviar de forma de manera programada

ACN Barcelona – Investigadors han desenvolupat una nova estratègia per “programar” la forma de teixits biològics in vitro. Han creat així teixits vius capaços de canviar de forma de manera programada. El treball, publicat a la revista ‘Science’, demostra per primera vegada que és possible guiar les forces i forma final d’un teixit viu controlant l’orientació de les seves cèl·lules. D’aquesta manera, la recerca obre la porta a noves aplicacions en enginyeria de teixits, robòtica biohíbrida i el disseny de materials vius intel·ligents. L’estudi l’han liderat l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) i el Centre Internacional de Mètodes Numèrics a l’Enginyeria (CIMNE).
Segons una nota de premsa de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), el resultat de l’estudi són teixits vius capaços de deformar-se de forma controlada per generar estructures tridimensionals reproduïbles.

Per al professor de recerca ICREA a l’IBEC Xavier Trepat, líder del grup de Dinàmica Integrativa de Cèl·lules i Teixits i colíder de l’estudi, aquest fet és rellevant: “Estem demostrant que podem dissenyar la forma que adoptarà un teixit viu controlant únicament com s’orienten les seves cèl·lules”, ha destacat l’investigador, tal com recull el comunicat.

Els científics plantegen els objectius de l’estudi com una via per dissenyar superfícies vives que canvien de forma per si mateixes, amb potencials aplicacions que van des de l’enginyeria de teixits fins a la robòtica biohíbrida.

Cèl·lules que donen forma a teixits

Els teixits biològics formats per cèl·lules allargades tendeixen a autoorganitzar-se generant dominis multicel·lulars on totes les cèl·lules s’orienten en la mateixa direcció, com les fibres d’un fil en un teixit tèxtil. Aquest és l’anomenat ordre nemàtic, tal com explica la nota de premsa.

De vegades, l’ordre nemàtic es trenca en punts concrets, anomenats defectes topològics. Es tracta de zones localment desordenades, comparables als remolins o bifurcacions que apareixen en una empremta dactilar. En biologia, aquests defectes actuen com a punts de concentració de forces, capaços d’influir en com creixen, migren o fins i tot es deformen els teixits.

Pau Guillamat, investigador en el grup de Dinàmica Integrativa de Cèl·lules i Teixits de l’IBEC, i primer autor de l’estudi, ha explicat que l’orientació de les cèl·lules controla les forces: “I les forces poden controlar la generació d’una forma en tres dimensions”, ha afegit. Per guiar aquestes forces, l’equip d’investigadors va utilitzar el micropatronatge químic.

Així, van “dibuixar” sobre superfícies planes unes línies d’una proteïna a la qual les cèl·lules s’adhereixen, envoltades de zones amb un polímer al qual les cèl·lules no s’adhereixen. Gràcies a aquests patrons, les cèl·lules s’alineen seguint les línies, creant el “mapa” d’orientacions desitjat.

Això va permetre imposar defectes topològics en posicions exactes, una cosa que la natura genera de forma espontània, però desordenada. “La clau és que podem decidir on estaran aquests defectes i, per tant, on es generaran les forces dins del teixit”, tal com ha comentat Guillamat.

L’experiment crucial va arribar quan els investigadors van desenganxar el teixit del substrat on creixien les cèl·lules. Mentre romania adherit, les forces internes generades per les cèl·lules quedaven ancorades al suport i impedien que el teixit canviés de forma. Però en eliminar aquesta restricció mecànica, la tensió acumulada va poder redistribuir-se lliurement.

“És com una làmina elàstica tensada i fixada per les vores: mentre està subjecta no es deforma, però en alliberar-la adopta una nova geometria determinada per les tensions internes”, ha apuntat Guillamat, en les declaracions que recull la nota enviada als mitjans.

I això mateix passa amb el teixit cel·lular: en desenganxar-lo, es contreu i deforma ràpidament, i ho fa seguint les direccions de tensió creades per l’orientació de les cèl·lules i pels defectes topològics.

Un ventall d’aplicacions

La recerca és una prova de concepte, però obre la porta a moltes aplicacions, com l’enginyeria de teixits, per crear estructures tridimensionals sense necessitat de bastides artificials; la robòtica biohíbrida, que podria usar teixits vius deformables com actuadors biològics; o el disseny de materials vius intel·ligents, superfícies vives capaces de reconfigurar la seva forma i, potencialment, les seves propietats funcionals.

“Podem pensar en aquests sistemes com a materials vius que no només generen forces i formes programables, sinó que podrien integrar informació i respondre de manera intel·ligent”, ha continuat Guillamat.

A més de les seves possibles aplicacions, aquesta metodologia permet estudiar fenòmens presents en biologia real, com la formació d’òrgans o el comportament d’alguns tumors. “És una eina perfecta per entendre com els patrons d’orientació cel·lular influeixen en la mecànica i evolució de teixits complexos”, ha detallat Trepat.

L’estudi també ha comptat amb la col·laboració del grup de Mecanobiologia Cel·lular i Molecular de l’IBEC, liderat per Pere Roca-Cusachs, qui també és professor catedràtic de la Facultat de Medicina i Ciències de la Salut de la Universitat de Barcelona (UB). L’European Molecular Biology Laboratory (EMBL) de Barcelona ha col·laborat amb la investigació.