A los fibroblastos normalmente no les importa la forma que adopten. Si se colocan unos cuantos millones de ellos en un gel blando en un laboratorio de Barcelona, se espera tres días, se arrastrarán formando largas bandas alineadas como limaduras de hierro sobre un imán, contentos con estirarse y tirar suavemente de cualquier cosa sobre la que estén sentados. Lo que no suelen hacer es decidirse, todos a la vez, a acurrucarse en un cuenco. Pero ese es el truco que ha logrado un equipo del Instituto de Bioingeniería de Cataluña, utilizando nada más exótico que una plantilla química y una dosis de enzima.
Su informe, publicado hoy en Science, describe el primer método para diseñar la forma tridimensional que adoptará un tejido vivo antes de que el tejido la haya adoptado. Los investigadores denominan al resultado una superficie viva de forma programable, que es un bocado, aunque lo que realmente parece en el vídeo es bastante más hogareño: un disco plano de células que de repente, en el transcurso de unos minutos, se levanta y se pliega formando una taza, una silla de montar o algo que recuerda asombrosamente a una rosa.
Los defectos haciendo el trabajo.
La física subyacente está tomada, de forma ligeramente inesperada, de cristales líquidos. Las células alargadas, como las moléculas en forma de varillas de una pantalla LCD, tienden a alinearse con sus vecinas, creando lo que los físicos llaman orden nemático. Es la razón por la que una monocapa de fibroblastos, vista con contraste de fases, se parece vagamente a la veta de un trozo de madera. En ocasiones, la alineación se rompe en un punto, produciendo un pequeño verticilo o bifurcación que los matemáticos llaman defecto topológico. Estos defectos son el mismo tipo de cosas que se ven en el centro de una huella digital, y resulta que las células tiran con más fuerza alrededor de ellos.
Eso se sabía desde hacía años. La pregunta abierta era si se podían controlar los defectos.
Para ello, Pau Guillamat, primer autor del artículo, y sus colegas construyeron una especie de ferrocarril invisible para las células. Modelaron geles blandos con fibronectina, una proteína de matriz pegajosa, en finas líneas adhesivas de aproximadamente dos micrómetros de ancho, y rodearon esas líneas con un polímero repelente de células. Los fibroblastos, dejados caer sobre el gel, se arrastraron sobre las tiras adhesivas, se alinearon a lo largo de ellas y, al tercer día, habían producido un tejido en el que los defectos topológicos se encontraban exactamente donde el patrón decía que debían. “Las fuerzas pueden controlar la generación de una forma tridimensional”, dice Guillamat, lo cual es la línea de pago pero también, lo más importante, una afirmación comprobable.
Pelar la piel
La prueba fue así. Mientras el tejido todavía estaba pegado al sustrato debajo de él, las tensiones que generaban las células no tenían adónde ir; estaban anclados en su lugar, del mismo modo que una lámina estirada de film transparente permanece plana si mantienes las manos en las esquinas. Para liberar esas tensiones, el equipo disolvió la matriz extracelular con colagenasa, la misma enzima que utilizan los ablandadores de carne. Al cabo de cinco a diez minutos, el tejido se desprendió. Al cabo de unos pocos años, empezó a doblarse.
Las formas que surgieron no fueron aleatorias. Un disco circular que contenía dos defectos topológicos, dispuestos en extremos opuestos, colapsó consistentemente en un cuenco. Cuatro defectos dieron una estructura con triple simetría. Seis defectos produjeron algo cuádruple. Acerque los defectos y el cuenco se hizo más profundo; gire el par cuarenta y cinco grados y todo el eje de plegado gire con él. En una configuración, donde el equipo diseñó una combinación de zonas de compresión y tracción, el tejido produjo dos invaginaciones en forma de cuenco unidas por una silla, una morfología que sería difícil diseñar a propósito con cualquier andamio convencional.
Para entender por qué, el grupo de Marino Arroyo de la Universidad Politécnica de Cataluña y el CIMNE construyeron un modelo teórico que trata la lámina celular como una capa elástica contráctil con una textura nemática incorporada. Cuando las tensiones activas en dicha lámina no pueden relajarse al contraerse en el plano, la cáscara se pandea; Este es el mismo principio, aunque en una forma bastante diferente, que hace que una hoja de lirio mojada se enrolle o una vaina de guisante dañada se retuerza. Los botánicos lo llaman transformación gaussiana, una consecuencia del Theorema Egregium de Gauss del siglo XIX, que dice que una hoja plana no se puede mapear suavemente sobre una curva sin estirarse en alguna parte. En otras palabras, las células hacen lo que hacen las plantas, no lo que suelen hacer los embriones animales. Los tejidos animales generalmente se pliegan mediante flexión activa o pandeo por compresión; esto es otra cosa.
Hay que decir, claramente, que se trata de fibroblastos en un plato, no de órganos. El equipo utilizó blebbistatina, un fármaco que debilita la contractilidad celular, para evitar que los tejidos se desgarren durante la retracción; sin él, las tensiones son lo suficientemente intensas como para fracturar la lámina.
Y las morfologías, aunque estables durante horas, poco a poco se van contrayendo. Las estructuras también son, por ahora, bastante simples. Un cuenco no es un riñón.
a donde va esto
Aun así, las implicaciones no son modestas. Si puede decidir de antemano la geometría que adoptará un tejido, obtendrá una nueva ruta hacia la ingeniería de tejidos que no depende de imprimir un andamio y esperar que las células cumplan. La robótica biohíbrida, en la que piezas de músculo vivo sirven como actuadores, de repente tiene una manera de construir piezas curvas en lugar de solo planas. Y el mismo conjunto de herramientas permite a los biólogos del desarrollo hacer preguntas que antes eran complicadas de plantear, como qué hace un tumor cuando se le entrega un patrón de tensiones que no generó por sí mismo. Xavier Trepat, que codirigió el estudio con Arroyo, llama al sistema “una herramienta perfecta para comprender cómo los patrones de orientación celular influyen en la mecánica” de tejidos complejos, y dado el poco acceso que han tenido los biólogos a esta capa de control morfogenético, la descripción no es exagerada.
Lo que realmente ha demostrado el grupo de Barcelona es que la información necesaria para construir una forma tridimensional puede pasarse de contrabando en dos dimensiones, escrita como un patrón de rayas que un niño podría dibujar. El pañuelo lo lee y se pliega.
DOI: 10.1126/ciencia.adz9174
Preguntas frecuentes
¿Cómo saben las células qué forma tomar?
No lo hacen, no en ningún sentido cognitivo. Los investigadores prediseñan un gel con rayas adhesivas que obligan a las células a alinearse en una dirección elegida, lo que crea campos de tensión predecibles a lo largo de la lámina. Cuando el tejido se desprende, esas tensiones no tienen otra opción que relajarse al pandearse fuera del plano, y la geometría de la pandeo está dictada completamente por el lugar donde el patrón de alineación colocó los defectos topológicos.
¿Es esto lo mismo que la bioimpresión 3D?
No, y ese es el punto. La bioimpresión construye estructura depositando células sobre o dentro de un andamio en la forma deseada. Este método comienza con una lámina plana y permite que las células generen su propia forma tridimensional mediante fuerzas mecánicas internas, lo que significa que no se requiere un andamio externo. Conceptualmente, se acerca más a cómo una hoja plana de papel se convierte en una grulla de origami que a cómo funciona una impresora 3D.
¿Podría usarse esto para hacer crecer órganos?
Todavía no y no pronto. Las formas demostradas hasta ahora son geometrías relativamente simples, como cuencos y sillas de montar hechos de un solo tipo de célula, mientras que los órganos involucran muchos tipos de células en complejos arreglos jerárquicos. Lo que ofrece el método es una nueva capa de control que, en principio, podría combinarse con técnicas organoides existentes para imponer geometrías específicas durante el desarrollo. Esto está muy lejos de un trasplante funcional, pero es una pieza del rompecabezas que antes faltaba.
¿Por qué el tejido se pliega como una planta y no como un embrión?
Los embriones animales generalmente se pliegan mediante flexión activa o pandeo bajo compresión, mecanismos que implican que las células empujen o aprieten activamente de manera coordinada. Los tejidos de Barcelona se pliegan por una razón diferente: sus tensiones internas son geométricamente incompatibles con permanecer planos, un fenómeno llamado transformación gaussiana que los biólogos vegetales utilizan para explicar cómo las hojas se curvan y las flores se abren. Básicamente, los investigadores demostraron que se puede convencer a las células animales para que utilicen una estrategia de transformación que normalmente se ve en la botánica.
¿Qué podrían hacer realmente los robots biohíbridos con esto?
Los robots biohíbridos actuales utilizan tiras de tejido muscular para tirar de esqueletos simples, lo que limita su movimiento a la flexión y la contracción. Si se pueden construir de manera confiable superficies habitables curvas y programables, un robot podría, en principio, incluir componentes que se pliegan, ahuecan o agarran, movimientos que son difíciles de lograr con actuadores planos. La recompensa más inmediata probablemente esté en las herramientas de investigación y no en las máquinas andantes, pero la dirección a seguir es clara.