La mecanobiología es un campo emergente de la ciencia en la interfaz de la biología, la ingeniería, la química y la física. Se centra en cómo las fuerzas físicas y los cambios en las propiedades mecánicas de las células y los tejidos contribuyen al desarrollo, la diferenciación celular, la fisiología y la enfermedad. Las fuerzas mecánicas se experimentan y pueden interpretarse para dar respuestas biológicas en las células. El movimiento de las articulaciones, las cargas compresivas en el cartílago y el hueso durante el ejercicio y la presión de corte en el vaso sanguíneo durante la circulación sanguínea son todos ejemplos de fuerzas mecánicas en los tejidos humanos. [1] Un desafío importante en el campo es comprender la mecanotransducción , los mecanismos moleculares por los cuales las células detectan y responden a las señales mecánicas. Si bien la medicina generalmente ha buscado la base genética y bioquímica de la enfermedad, los avances en mecanobiología sugieren que los cambios en la mecánica celular, la estructura de la matriz extracelular o la mecanotransducción pueden contribuir al desarrollo de muchas enfermedades, incluidas la aterosclerosis , la fibrosis , el asma , la osteoporosis , la insuficiencia cardíaca y el cáncer . También existe una fuerte base mecánica para muchas discapacidades médicas generalizadas, como el dolor lumbar, las lesiones posturales y en los pies, la deformidad y el síndrome del intestino irritable . [2]
Los fibroblastos de la piel son vitales para el desarrollo y la reparación de heridas y se ven afectados por señales mecánicas como la tensión, la compresión y la presión de corte. Los fibroblastos sintetizan proteínas estructurales, algunas de las cuales son mecanosensibles y forman parte integral de la matriz extracelular (ECM), por ejemplo, colágeno de tipo I, III, IV, V y VI, elastina , láminas, etc. Además de las proteínas estructurales, los fibroblastos producen factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α), factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) y metaloproteasas de matriz que intervienen en el mantenimiento y remodelación de los tejidos. [3]
El cartílago articular es el tejido conectivo que protege los huesos de las articulaciones que soportan carga, como la rodilla y el hombro, al proporcionar una superficie lubricada. Se deforma en respuesta a la carga de compresión, lo que reduce la tensión en los huesos. [4] Esta capacidad de respuesta mecánica del cartílago articular se debe a su naturaleza bifásica; contiene tanto la fase sólida como la fluida. La fase fluida está formada por agua, que contribuye con el 80% del peso húmedo, e iones inorgánicos, por ejemplo, iones de sodio, iones de calcio y iones de potasio. La fase sólida está formada por ECM poroso. Los proteoglicanos y los líquidos intersticiales interactúan para dar fuerza de compresión al cartílago a través de fuerzas repulsivas electrostáticas negativas. La diferencia de concentración de iones entre la composición de iones extracelulares e intracelulares de los condrocitos da como resultado la presión hidrostática. [5] Durante el desarrollo, el entorno mecánico de la articulación determina la superficie y la topología de la articulación. [6] En el adulto, se requiere una carga mecánica moderada para mantener el cartílago; La inmovilización de la articulación conduce a la pérdida de proteoglicanos y a la atrofia del cartílago, mientras que el exceso de carga mecánica produce degeneración de la articulación. [7]
El núcleo también responde a señales mecánicas que se transmiten desde la matriz extracelular a través del citoesqueleto con la ayuda de las proteínas asociadas al nucleoesqueleto y al citoesqueleto LINC, como KASH y SUN. [8] Algunos ejemplos del efecto de las respuestas mecánicas en el núcleo incluyen:
El embrión se forma mediante un proceso de autoensamblaje, mediante el cual las células se diferencian en tejidos que realizan funciones especializadas. Antes se creía que solo las señales químicas daban señales que controlaban los cambios orientados espacialmente en el crecimiento celular, la diferenciación y el cambio de destino que mediaban los controles morfogenéticos. Esto se basa en la capacidad de las señales químicas para inducir respuestas bioquímicas como la formación de patrones tisulares en células distantes. Sin embargo, ahora se sabe que las fuerzas mecánicas generadas dentro de las células y los tejidos proporcionan señales reguladoras. [10]
Durante la división del ovocito fertilizado , las células se agregan y la compacidad entre las células aumenta con la ayuda de las fuerzas de tracción del citoesqueleto dependientes de actomiosina y su aplicación a los receptores adhesivos en las células vecinas, lo que conduce a la formación de bolas sólidas llamadas mórula . [11] El posicionamiento del huso dentro de las células que se dividen simétrica y asimétricamente en el embrión temprano está controlado por fuerzas mecánicas mediadas por microtúbulos y el sistema de microfilamentos de actina . [12] La variación local en las fuerzas físicas y las señales mecánicas como la rigidez de la matriz extracelular también controlan la expresión de genes que dan lugar al proceso de desarrollo embrionario de blastulación . La pérdida del factor de transcripción controlado por rigidez Cdx conduce a la expresión ectópica de marcadores de masa celular interna en el trofectodermo, y el factor de transcripción pluripotente, Oct-4, puede expresarse negativamente, lo que induce el cambio de linaje. Este cambio de destino celular está regulado por la vía hipopótamo mecanosensible [13]
La eficacia de muchas de las terapias mecánicas que ya se utilizan en la práctica clínica demuestra la importancia que pueden tener las fuerzas físicas en el control fisiológico. Varios ejemplos ilustran este punto. El surfactante pulmonar promueve el desarrollo pulmonar en los bebés prematuros; la modificación de los volúmenes corrientes de los respiradores mecánicos reduce la morbilidad y la muerte en pacientes con lesión pulmonar aguda. Los stents expandibles previenen físicamente la constricción de la arteria coronaria. Los expansores tisulares aumentan el área de piel disponible para la cirugía reconstructiva. [14] Los dispositivos de aplicación de tensión quirúrgica se utilizan para la curación de fracturas óseas, la ortodoncia, la expansión cosmética de los senos y el cierre de heridas que no cicatrizan. [ cita requerida ]
Los conocimientos sobre la base mecánica de la regulación tisular también pueden conducir al desarrollo de mejores dispositivos médicos, biomateriales y tejidos diseñados para la reparación y reconstrucción de tejidos. [15]
Los contribuyentes conocidos a la mecanotransducción celular son una lista creciente e incluyen canales iónicos activados por estiramiento , caveolas , integrinas , cadherinas , receptores de factores de crecimiento, motores de miosina, filamentos citoesqueléticos , núcleos , matriz extracelular y muchas otras moléculas de señalización. Las fuerzas de tracción endógenas generadas por células también contribuyen significativamente a estas respuestas al modular la pretensión tensional dentro de las células, tejidos y órganos que gobiernan su estabilidad mecánica, así como la transmisión de señales mecánicas desde la macroescala a la nanoescala. [16] [17]