Investigadores españoles desarrollan una nueva estrategia para ‘programar’ la forma de tejidos biológicos in vitro
Este trabajo, publicado en la revista Science, demuestra que, por primera vez, es posible guiar sus fuerzas y silueta final al controlar la orientación de sus células, lo que permitiría nuevos avances en ingeniería de tejidos, robótica biohíbrida y el diseño de materiales inteligentes
Tejido celular plegado siguiendo un proceso de programación mecánica. / IBEC
SINC - CEST
Los tejidos biológicos tienen la capacidad de organizarse por sí mismos y cambiar de forma, por lo que aprovechar este comportamiento para diseñar materiales sintéticos capaces de adoptar figuras concretas es uno de los grandes retos de la bioingeniería actual. Un estudio, publicado en Science, presenta una nueva estrategia para ‘programar’ estos cambios de forma mediante patrones químicos.
La investigación, liderada por el instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya y el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE), ha estudiado cómo se orientan las células dentro del tejido. Entre sus resultados han visto que los tejidos vivos son capaces de deformarse de forma controlada para generar estructuras tridimensionales reproducibles.
Los tejidos vivos son capaces de deformarse de forma controlada para generar estructuras tridimensionales reproducibles
Según explica el colíder del estudio y profesor de investigación ICREA en el IBEC, Xavier Trepat, “estamos demostrando que podemos diseñar la forma que adoptará un tejido vivo controlando únicamente cómo se orientan sus células”.
Por ello, los científicos plantean los hallazgos del estudio como una vía para diseñar superficies vivas que cambian de figura por sí mismas, con potenciales aplicaciones que van desde la ingeniería de tejidos hasta la robótica biohíbrida.
‘Patronaje’ celular
Los tejidos biológicos formados por células alargadas tienden a autoorganizarse y a generar dominios multicelulares donde todas las células se orientan en una misma dirección, como las fibras de un hilo en un tejido textil. Este fenómeno se denomina orden nemático.
En ocasiones, este sistema 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”, según explica el primer autor del trabajo e investigador en el IBEC, Pau Guillamat.
Las células se orientan en una misma dirección, como las fibras de un hilo en un tejido textil
Para guiar estas fuerzas, el equipo utilizó el micropatronaje químico, es decir, dibujaron sobre superficies planas unas líneas proteicas para que las células se alinearan y crearan 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.
En uno de sus experimentos, los investigadores despegaron el 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.
De izquierda a derecha: Xavier Trepat, Pau Guillamat y Marino Arroyo. IBEC
“Es como si se tratara de 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 en función de las direcciones de tensión creadas por la orientación de las células y por los defectos topológicos, según argumentan los investigadores.
Simulaciones de la forma final
Para profundizar en el origen de las fuerzas y formas de los tejidos, el colíder del estudio y catedrático del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la UPC, Marino Arroyo, desarrolló modelos teóricos y simulaciones que permitieron anticipar cómo un patrón concreto de orientaciones celulares acababa transformándose en una forma tridimensional específica.
Según explica, sus modelos le han permitido examinar diferentes hipótesis e 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”, sugiere el experto, por lo que se confirma que el sistema puede utilizarse como una plataforma predictiva de diseño de tejidos.
Multitud de posibilidades
Esta investigación es un ensayo preliminar, pero abre la puerta a muchas aplicaciones, como la ingeniería de tejidos, para crear estructuras tridimensionales sin necesidad de andamios artificiales, o robótica biohíbrida, que podría utilizar tejidos vivos deformables como actuadores biológicos.
“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, 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.
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Referencia:
Pau Guillamat, et all.Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces. Science 2026.
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Fuente: IBEC
Derechos: Creative Commons.
