Crean tejidos vivos programables para que cambien de forma

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.

Tres momentos del proceso de transformación programada de un tejido vivo, tras despegar este de la superficie que lo mantenía desplegado: al inicio, a los 6 minutos y a los 20. El tejido pasa de una forma esférica a otra que recuerda a una rosa. (Imágenes: IBEC)

 “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 y Ambiental de la UPC, líder del grupo Interfaces de materiales blandos y vivos del CIMNE y coautor del estudio, desarrolló modelos teóricos y simulaciones que permiten anticipar cómo un patrón concreto de orientaciones celulares acabaría transformándose en una forma tridimensional específica.

Según Arroyo, “nuestros modelos nos han permitido examinar diferentes hipótesis y finalmente identificar el mecanismo por el que la orientación de las células conduce al plegado tridimensional de los tejidos. Además, proporcionan una relación cuantitativa entre patrón nemático y forma”, lo que confirma que el sistema puede utilizarse como una plataforma predictiva de diseño morfológico de tejidos.

Un abanico de aplicaciones

Esta investigación es una prueba de concepto, pero abre la puerta a muchas aplicaciones, como la ingeniería de tejidos, para crear estructuras tridimensionales sin necesidad de andamios artificiales; la robótica biohíbrida, que podría utilizar tejidos vivos deformables como actuadores biológicos; o el diseño de materiales vivos inteligentes, superficies vivas capaces de reconfigurar su forma y, potencialmente, sus propiedades funcionales.

“Podemos pensar en estos sistemas como materiales vivos que no solo generan fuerzas y formas programables, sino que podrían integrar información y responder de manera inteligente”, añade Guillamat.

Además de sus posibles aplicaciones, esta metodología permite estudiar fenómenos presentes en biología real, como la formación de órganos o el comportamiento de algunos tumores. “Es una herramienta perfecta para entender cómo los patrones de orientación celular influyen en la mecánica y evolución de tejidos complejos”, afirma Trepat.

El estudio también ha contado con la colaboración del grupo de Mecanobiología Celular y Molecular del IBEC, liderado por Pere Roca-Cusachs, quien también es profesor y catedrático de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud de la Universidad de Barcelona (UB).

El estudio se titula “Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces”. Y se ha publicado en la revista académica Science. (Fuente: IBEC)