En mecanobiología, las fuerzas celulares, incluida la rápida migración, se han considerado fundamentales para mejorar su función. Pero un grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis descubrió que las células pueden generar y utilizar fuerzas bajas pero se mueven más rápido que las células que generan y utilizan fuerzas elevadas, poniendo patas arriba el antiguo concepto de fuerza. .
Amit Pathak, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, descubrió en su laboratorio que grupos de células adheridas a superficies blandas con fibras de colágeno se movían más rápido y con menos fuerza. Se cree que las células generan energía continuamente porque deben superar la fricción y el arrastre de su entorno para moverse. Sin embargo, esta necesidad convencional de fuerza se puede reducir en condiciones ambientales favorables, como fibras alineadas. Sus resultados, publicados Biología Computacional PLoS El 9 de enero se demostró por primera vez esta actividad en la migración celular combinada.
Pathak y los miembros de su laboratorio han rastreado el movimiento de las células epiteliales mamarias humanas durante años, determinando que las células se mueven más rápido en superficies duras que en superficies blandas, donde se atascan. Su investigación tiene implicaciones para la metástasis del cáncer y la cicatrización de heridas.
En el nuevo estudio, encontraron que las células migraban un 50% más rápido en fibras de colágeno alineadas que en fibras aleatorias. Además, descubrieron que las células utilizan fibras alineadas como señales direccionales para guiar su migración hacia la expansión del grupo.
“Nos preguntamos si se aplica una fuerza y no hay fricción, ¿pueden las células moverse más rápido sin generar más fuerza?” Pathak Dr. “Nos dimos cuenta de que probablemente dependía del medio ambiente. Pensamos que serían más rápidos en fibras alineadas como las vías del ferrocarril, pero la sorpresa fue que en realidad generaban menos energía y aún así iban más rápido”.
Amrit Bagchi, que obtuvo un doctorado en ingeniería mecánica de McKelvey Engineering en 2022 en el laboratorio de Pathak y ahora es investigador postdoctoral en el Centro de Ingeniería Mecanobiología de la Universidad de Pensilvania, hizo mucho para poner en marcha la investigación. Bagchi desarrolló un hidrogel blando en el laboratorio de Marcus Foston, profesor asociado de ingeniería energética, ambiental y química, durante varios meses durante la pandemia de Covid-19, luego alineó las fibras usando un imán especial en la Facultad de Medicina antes de implantar las células en para seguir su movimiento.
Bagchi desarrolló un modelo de motor-embrague de múltiples capas en el que el mecanismo generador de fuerza en la celda actúa como motor y el embrague proporciona tracción a las celdas. Bagchi transformó hábilmente el modelo de células agregadas utilizando tres capas (una para las células, otra para las fibras de colágeno y otra para el gel personalizado que se encuentra debajo) que interactuaban entre sí.
“Aunque los resultados experimentales nos sorprendieron inicialmente, nos dieron el impulso para desarrollar un modelo teórico para explicar la física detrás de este comportamiento antagónico”, dijo Bagchi. “Con el tiempo, nos dimos cuenta de que las células utilizan fibras alineadas como indicador para experimentar fuerzas de fricción de una manera que es significativamente diferente del estado aleatorio de las fibras. Nuestro modelo de mecanodetección y transmisión matricial también predice otros comportamientos de migración conjunta bien conocidos, como haptotaxis y durotaxis, descubrieron los científicos y potencialmente se extienden a otros fenotipos interesantes de migración celular al proporcionar un marco unificado”.