En una exploración innovadora del mundo microscópico de las células vivas, científicos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón, han desarrollado una técnica que podría revolucionar nuestra comprensión de cómo responden las células a las presiones mecánicas externas. Este avance, dirigido por Jun Nakanishi del Grupo de Mecanobiología, se publicó recientemente en la revista Ciencia y tecnología de materiales avanzados..
Fuente de la imagen: Wang, H. et al. (2023). Ciencia y tecnología de materiales avanzados.
El “Nano-Poke”: un nuevo enfoque para comprender la respuesta celular
Utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM), un método sofisticado que utiliza sondas a nanoescala, el equipo de investigación logró “pinchar” células vivas con estas puntas microscópicas y medir cómo se distribuyen las fuerzas sobre y dentro de la célula cuando se ejerce fuerza. El enfoque utiliza la optimización Monte Carlo de la cadena de Markov para refinar el análisis de las curvas de fuerza-desplazamiento y aumentar la sensibilidad de la penetración del AFM.
Hemos inventado una forma única de «tocar» una célula con la «mano» a nanoescala para que se pueda obtener imágenes de la distribución de la fuerza en toda la célula con una resolución nanométrica.
Hongxin Wang, primer autor, postdoctorado de JSPS, Grupo de Mecanobiología
Las células tienen una capacidad innata para responder a diversas tensiones ambientales, un proceso que es fundamental para mantener su integridad. Por tanto, el objetivo principal del estudio era comprender cómo responden y se adaptan las células a los estímulos mecánicos.
Al manipular estados mecánicos, por ejemplo inhibiendo la actividad motora de la miosina, los investigadores observaron cambios en la distribución de las fuerzas intracelulares. En particular, si se reduce la capacidad de las fibras de actina para soportar tensiones, el núcleo celular lo compensa equilibrando las fuerzas externas. Este hallazgo indica la adaptabilidad dinámica de las estructuras celulares en respuesta a los cambios ambientales.
Las células son materiales inteligentes que pueden adaptarse a diversos estímulos químicos y mecánicos de su entorno.
Jun Nakanishi, autores correspondientes, Grupo de Mecanobiología del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, líder
La investigación proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos de respuesta celular, especialmente los estímulos externos, que son esenciales para la salud celular.
Estos mecanismos están implicados en diversas enfermedades como la diabetes, el Parkinson, el infarto y el cáncer. Hasta la fecha, las limitaciones de los métodos existentes han impedido una comprensión integral de estas reacciones.
Cáncer versus células sanas: un análisis comparativo
Un aspecto fascinante de la investigación es comparar las respuestas de células sanas y cancerosas a la presión mecánica.
Curiosamente, el equipo observó que, en comparación con las células sanas, las células cancerosas exhiben una mayor resistencia a la compresión externa y tienen menos probabilidades de desencadenar la muerte celular en respuesta. Este hallazgo abre nuevas posibilidades para distinguir las células sanas de las cancerosas y puede proporcionar una nueva herramienta de diagnóstico basada en la mecánica celular.
Más allá del diagnóstico tradicional del cáncer
Actualmente, el diagnóstico del cáncer depende en gran medida del análisis del tamaño, la forma y la estructura de las células. Sin embargo, estos parámetros no siempre son suficientes para un diagnóstico preciso. Han Zhang, otro autor correspondiente, señala que la capacidad de medir la distribución de la fuerza representa una mejora prometedora en la precisión del diagnóstico.
A medida que el campo de la mecánica celular continúa evolucionando, esta investigación abre nuevas vías para comprender cómo responden las células a su entorno.
La intrincada interacción de fuerzas dentro de una célula, desde el citoesqueleto hasta el núcleo, no es sólo una cuestión de necesidad estructural sino también un aspecto crucial de la salud y la enfermedad celular. Por tanto, este estudio representa un avance significativo en nuestra comprensión de estos complejos procesos biológicos y marca un avance significativo en el campo de la nanotecnología y su aplicación en la ciencia médica.
Referencia de revista
Wang, H. et al. (2023) “Mapeo del estrés en células vivas mediante microscopía de fuerza atómica en respuesta a estímulos ambientales”, Ciencia y tecnología de materiales avanzados., 24(1). doi:10.1080/14686996.2023.2265434.
Fuente: Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
