La mecanobiología es un campo científico emergente 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 las enfermedades. Las fuerzas mecánicas se experimentan y pueden interpretarse para dar respuestas biológicas en las células. El movimiento de las articulaciones, las cargas de compresión sobre el cartílago y el hueso durante el ejercicio y la presión de corte sobre los vasos sanguíneos durante la circulación sanguínea son ejemplos de fuerzas mecánicas en los tejidos humanos. [1] Un desafío importante en este campo es comprender la mecanotransducción , los mecanismos moleculares mediante los cuales las células detectan y responden a señales mecánicas. Si bien la medicina normalmente ha buscado las bases genéticas y bioquímicas de las enfermedades, 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 y la insuficiencia cardíaca . y cáncer . También existe una fuerte base mecánica para muchas discapacidades médicas generalizadas, como el dolor lumbar, las lesiones posturales y del pie, la deformidad y el síndrome del intestino irritable . [2]
Los fibroblastos de la piel son vitales en el desarrollo y la reparación de heridas y se ven afectados por señales mecánicas como tensión, compresión y presión de corte. Los fibroblastos sintetizan proteínas estructurales, algunas de las cuales son mecanosensibles y forman parte integral de la matriz extracelular (MEC). g colágeno tipos I, III, IV, V VI, elastina , lámina, etc. Además de las proteínas estructurales, los fibroblastos producen el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α), el factor de crecimiento transformante beta (TGF-β ) y metaloproteasas de matriz que intervienen en el mantenimiento y remodelación del tejido. [3]
El cartílago articular es el tejido conectivo que protege los huesos de las articulaciones que soportan carga, como la rodilla y el hombro, proporcionando una superficie lubricada. Se deforma en respuesta a una carga de compresión, lo que reduce la tensión sobre los huesos. [4] Esta capacidad de respuesta mecánica del cartílago articular se debe a su naturaleza bifásica; contiene las fases sólida y fluida. La fase fluida está compuesta por agua -que aporta el 80% del peso húmedo- e iones inorgánicos e. g Ion sodio, ion calcio e ion potasio. La fase sólida está formada por ECM porosa. 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 adultos, se requiere una carga mecánica moderada para mantener el cartílago; La inmovilización de la articulación conduce a la pérdida de proteoglicanos y atrofia del cartílago, mientras que el exceso de carga mecánica produce la 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 proteínas asociadas al enlazador de nucleosqueleto y citoesqueleto LINC, como KASH y SUN. [8] Ejemplos de efectos de respuestas mecánicas en el núcleo incluyen:
El embrión se forma mediante autoensamblaje mediante el cual las células se diferencian en tejidos que realizan funciones especializadas. Anteriormente se creía que sólo las señales químicas daban señales que controlaban los cambios orientados espacialmente en el crecimiento, la diferenciación y el cambio de destino de las células que mediaban los controles morfogenéticos. Esto se basa en la capacidad de las señales químicas para inducir respuestas bioquímicas como patrones de tejido 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 de las células vecinas, lo que conduce a la formación de bolas sólidas llamadas mórula . [11] La posición del huso dentro de las células que se dividen simétrica y asimétricamente en el embrión temprano está controlada por fuerzas mecánicas mediadas por microtúbulos y un sistema de microfilamentos de actina. [12] La variación local en las fuerzas físicas y las señales mecánicas, como la rigidez de la MEC, también controlan la expresión de genes que dan lugar al proceso de desarrollo embrionario de blastulación . La pérdida del factor de transcripción Cdx controlado por la rigidez conduce a la expresión ectópica de marcadores de masa celular internos en el trofectodermo, y el factor de transcripción pluripotente Oct-4 puede expresarse negativamente, induciendo así un cambio de linaje. Este cambio de destino celular está regulado por la vía mecanosensible del hipopótamo [13]
La eficacia de muchas de las terapias mecánicas que ya se utilizan clínicamente muestra cuán importantes pueden ser las fuerzas físicas en el control fisiológico. Varios ejemplos ilustran este punto. El surfactante pulmonar promueve el desarrollo pulmonar en bebés prematuros; La modificación de los volúmenes corrientes de los ventiladores mecánicos reduce la morbilidad y la muerte en pacientes con lesión pulmonar aguda. Los stents expandibles previenen físicamente la constricción de las arterias coronarias. Los expansores de tejido 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, ortodoncia, expansión cosmética de los senos y cierre de heridas que no cicatrizan. [ cita necesaria ]
Los conocimientos sobre la base mecánica de la regulación de los tejidos también pueden conducir al desarrollo de dispositivos médicos, biomateriales y tejidos diseñados para la reparación y reconstrucción de tejidos mejorados. [15]
Los contribuyentes conocidos a la mecanotransducción celular son una lista cada vez mayor 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 el pretensado 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]