¿Qué ocurre con las células durante un traumatismo craneoencefálico o una cicatrización de la piel? Científicos respaldados por la Unión Europea han desarrollado un nuevo método experimental basado en polímeros magnetoactivos blandos para estudiar el comportamiento celular.
Las células biológicas están constantemente sometidas a la tensión mecánica de los sustratos que las rodean, lo que afecta a su comportamiento. Con el apoyo del proyecto financiado con fondos europeos 4D-BIOMAP, ahora los investigadores han desarrollado un método novedoso basado en polímeros magnetoactivos para estudiar el comportamiento celular. Sus hallazgos se publicaron en la revista «Applied Materials Today».
El nuevo método experimental-computacional permite a los investigadores controlar de forma no invasiva los modos complejos de deformación de los sustratos celulares en tiempo real. Gracias a este sistema, los científicos pueden evaluar al instante los efectos mecánicos sobre las células y el efecto sobre las diferentes respuestas biológicas.
Según el estudio, la estimulación no invasiva es posible gracias a la capacidad de los materiales magnetoactivos blandos similares al caucho, llamados «elastómeros magnetorreológicos» (EMR), de responder mecánicamente a los campos magnéticos externos. Los EMR constan de una matriz polimérica blanda (polidimetilsiloxano) que contiene partículas magnéticas micrométricas (polvos de hierro carbonilo). Cuando se someten a un campo magnético externo, las partículas se magnetizan y reaccionan cambiando su forma o rigidez.El sistema propuesto allana el camino para que los científicos puedan conocer los procesos mecanobiológicos que se producen durante estados de deformación complejos y dinámicos, como un traumatismo craneoencefálico, una cicatrización patológica de la piel y una remodelación fibrótica del corazón durante un infarto de miocardio. «Hemos conseguido reproducir las deformaciones locales que ocurren en el cerebro cuando está sometido a un impacto. Esto permitiría reproducir en el laboratorio estos casos, analizando en tiempo real lo que les ocurre a las células y cómo se dañan», explica el doctor Daniel García González, de la Universidad Carlos III de Madrid (España), anfitriona del proyecto 4D-BIOMAP, en una nota de prensa publicada en EurekAlert!. «Además, hemos validado el sistema demostrando su capacidad para transmitir fuerzas a las células y actuar sobre ellas».
Los investigadores diseñaron un sistema de imagen y estimulación con varios componentes que utiliza las propiedades multifuncionales de los EMR para controlar la deformación mecánica de los sustratos celulares de forma no invasiva. En primer lugar, fabricaron diferentes EMR con distintos grados de rigidez e intensidad de acoplamiento magnetomecánico. Tras analizar los mecanismos que rigen el comportamiento de los materiales, el equipo desarrolló un marco «in silico» multifísico y multiescala para guiar la configuración experimental de la estimulación. A continuación, se demostró la versatilidad y viabilidad del sistema mediante su capacidad para reproducir entornos mecánicos complejos que simulan patrones locales de tensión en el tejido encefálico durante un impacto craneal y su capacidad para transmitir fuerzas mecánicas a sistemas celulares (fibroblastos dérmicos humanos). Tal como los autores explican en su estudio: «A diferencia de los métodos anteriores […], logramos que lo siguiente sucediese al mismo tiempo: una estimulación mecánica no invasiva (a través de campos magnéticos), un control en tiempo real de la estimulación mecánica y unos modos de deformación (complejos) alternos que controlan los cambios locales, tanto en la magnitud como en los componentes principales de la tensión».
Según comenta García González en el comunicado de prensa: «Toda esta ciencia básica la hemos empleado para, apoyados por el modelo computacional, diseñar un sistema de actuación inteligente que, acoplado a un microscopio desarrollado dentro de la ERC, nos permite visualizar la respuesta celular ‟in situ”. De esta manera, hemos consolidado un marco completo para estimular los sistemas celulares con materiales inteligentes magnetoactivos».
El proyecto 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers), de cinco años de duración, utiliza potentes métodos de impresión para crear polímeros magnetoactivos y caracterizarlos en aplicaciones críticas relacionadas con el funcionamiento del sistema nervioso. Este proyecto finaliza en diciembre de 2025.
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