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. Sin embargo, controlar con precisión cómo se comporta un tejido y dirigir sus fuerzas internas para que adopte exactamente la forma deseada sigue siendo un desafío importante para la ciencia.
Ahora, un estudio liderado por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) y el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE), en colaboración con el European Molecular Biology Laboratory (EMBL) de Barcelona, presenta 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 ICREA en el IBEC, líder del grupo de Dinámica Integrativa de Células y Tejidos y colíder 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 (CIBER-BBN).
Los científicos plantean los resultades 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 auto-organizarse 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.
Micropatronaje químico
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.
“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, asi 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 colíder 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 catedrático de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud de la Universidad de Barcelona (UB).
Artículo de referencia:
Pau Guillamat, Waleed Mirza, Pradeep K. Bal, Manuel Gómez-González, Pere Roca-Cusachs, Marino Arroyo, Xavier Trepat.Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces. Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz9174
Fuente: IBEC
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