EL CIENTÍFICO DE LA SEMANA: Sonia Contera

Física y nanotecnología en ingeniería de tejidos, o cómo comunicarse con las células usando fuerzas

Por Sonia Contera,

co-directora y fundadora del Instituto Oxford Martin de Nanociencia para la Medicina, Departamento de Física, Universidad de Oxford.

Las células usan fuerza para explorar los materiales que les rodean

La mayor parte de las células inspeccionan los materiales con los que entran en contacto usando interacciones adhesivas en la escala nanométrica (Imagen 1). Cuando las células se adhieren a un substrato, modulan sus propias propiedades mecánicas endureciéndose o ablandándose según a qué material se peguen usando fuerzas ejercidas por su citoesqueleto para obtener información y adaptarse mecánicamente a su entorno. Se ha demostrado que las propiedades mecánicas del substrato pueden afectar a la diferenciación celular. En los tejidos vivos, las células se organizan como resultado de interacciones complejas, dinámicas y reciprocas con la matriz extracelular, que es un entramado de moléculas, y estructuras fibrosas mecánicamente activo. En los huesos las células madre se endurecen y en el cerebro se ablandan.

Estos resultados han abierto una de las posibilidades más interesantes del campo, la utilización de nanomateriales sintéticos para controlar la diferenciación celular usando fuerzas. ¿Cómo conseguirlo? El primer problema es la caracterización cuantitativa de las propiedades mecánicas de las células en la escala nanométrica (por ejemplo, cuántos mega-pascales describen su tensión). Saber lo blanda o lo dura que es una célula no es trivial, hay que reinventar las técnicas y las teorías usadas por el campo de la mecánica de los medios continuos para caracterizar materiales, y esto no es tarea fácil porque las células son mucho más complejas que, por ejemplo, los polímeros. Actualmente hay un número creciente de físicos que trabajamos en desarrollar técnicas experimentales y teóricas que nos permitan entender cómo las células vivas sienten y ejercen fuerzas y cómo ajustan sus propiedades mecánicas a su función adaptándose y remodelando su entorno.

Aprender la física de las células para poder controlar su función

En mi laboratorio, en colaboración con científicos en muchas partes del mundo, hemos desarrollado técnicas basadas en una herramienta de la nanotecnología (la microscopía de fuerzas) que nos permiten medir estas propiedades mecánicas con precisión nanométrica en células vivas¹, (Imagen 2). Usando estas y otras técnicas, y nuevas teorías, fabricamos andamios tisulares diseñados para dar señales mecánicas y controlar la función celular. De ésta manera usamos la nanotecnología para entender la física de las células, y después utilizamos este conocimiento para fabricar nanomateriales que cada vez sean más capaces de expresar la física que comprenden las células y dirigir así su respuesta y su función.

¹ ‘Mapping nanomechanical properties of live cells using multi-harmonic atomic force microscopy’ A. Raman, S. Trigueros, A. Cartagena, A. P. Z. Stevenson, M. Susilo, E. Nauman & S. A.Contera Nature Nanotechnology 6, 809–814 (2011)

² “Sub-nanoscale free volume and local elastic modulus of chitosan/carbon nanotube nanocomposite scaffolds for tissue engineering” E. Axpe, … S. Contera, (2014), in press.

Imagen 1 : Imagen de microscopia de fuerzas de células vivas explorando, adhiriéndose, y adaptándose a un material con nanoestructuras. (Contera Lab)

Imagen 2: Mapa de las propiedades mecánicas de células madre vivas usando microscopia de fuerzas, usando una punta nanométrica para deformar células dando golpecitos intermitentes. La punta está integrada con una micro-palanca que se dobla según la dureza de la célula. Usando teoría mecánica de medios continuos se puede inferir la dureza de la célula por la deformación dela micro-palanca. (Contera Lab)