Uma equipa liderada por Delaram Shakiba, um estudante de doutorado no Centro de Ciência e Tecnologia da NSF para Mecanobiologia de Engenharia (CEMB) da McKelvey School of Engineering, descobriu como fibroblastos ou células comuns no tecido conjuntivo interagem com a matriz extracelular, que fornece suporte estrutural e orientação bioquímica e biomecânica para células. A equipa descobriu um processo recursivo que ocorre entre as células e seus arredores, bem como estruturas dentro das células que antes eram desconhecidas.
Os resultados da pesquisa foram publicados no ACS Nano. Os autores seniores incluem Guy Genin, Harold e Kathleen Faught, professora de engenharia mecânica na McKelvey School of Engineering, e Elliot Elson, professor reformado de bioquímica e biofísica molecular na Faculdade de Medicina.
Novas descobertas
“Esforços clínicos para impedir a progressão de doenças do fibrocontrato, como cicatrizes e fibrose foram amplamente mal-sucedidos, em parte porque os mecanismos que as células usam para interagir com as fibras de proteínas circundantes não são claros”, disse Shakiba.
“Descobrimos que os fibroblastos usam mecanismos completamente diferentes nos estágios iniciais, e acho os estágios mais tratáveis dessas interações e que suas respostas aos medicamentos podem, portanto, ser o oposto do que seriam nos estágios posteriores.”
Genin, que é o co-diretor do CEMB, disse que o processo “retém” os pesquisadores de mecanobiologia há algum tempo.
“Os cientistas da mecanobiologia pensaram que as células puxavam o colágeno para fora da matriz extracelular, alcançando longas saliências, segurando e puxando”, disse Genin.
“Descobrimos que não é assim. A célula deve primeiro sair através do colágeno e, em seguida, em vez de se agarrar, ela basicamente dispara pequenos “pêlos” ou filopódios dos lados dos braços, atraindo o colágeno.”
Agora que eles entendem esse processo, eles podem controlar a forma que a célula assume.
“Juntamente com os nossos colegas do CEMB da Universidade da Pensilvânia, conseguimos validar alguns modelos matemáticos para passar pelo processo de engenharia, e agora conhecemos os princípios básicos que norteiam as células”, afirmou.
Agora podemos começar a projetar certos estímulos para direcionar a célula a se comportar de certa maneira na construção da estrutura da engenharia de tecidos.
Duas maneiras de controlar o formato das células
Os cientistas aprenderam que podem controlar o formato de uma célula de duas maneiras: primeiro, controlando os limites ao seu redor, e segundo, inibindo ou aumentando a regulação de proteínas individuais envolvidas na remodelação do colágeno.
Os fibroblastos puxam as bordas da ferida, causando a contração ou o fechamento. O colágeno nas células então remodela a matriz extracelular para fechar completamente a ferida. É aqui que a mecanobiologia entra em jogo.
“Existe um equilíbrio entre tensão e compressão dentro de uma célula que é exposta recentemente a proteínas fibrosas”, disse Genin. – Há tensão nos filamentos de actina e, modulando esse equilíbrio, podemos fazê-los crescer para tamanhos extremamente longos. Podemos parar ou intensificar a reconstrução.
A equipa usou uma técnica de mapeamento 3D – pela primeira vez no caso do colágeno – junto com um modelo computacional para calcular os campos de tensão e tensão 3D produzidos pelas protuberâncias das células.
Juntamente com o acúmulo de colágeno nas células, a remodelação e o alinhamento induzidos por tensão das fibras de colágeno levaram à formação de vias de colágeno. Isso requer interação entre as células pelas quais as células podem interagir mecanicamente.
“Os novos métodos de microscopia, engenharia de tecidos e modelagem biomecânica expandem muito a nossa compreensão dos mecanismos pelos quais as células modificam e reparam o tecido em que estão”, disse Elson.
“Estruturas celulares fibrosas geram e direcionam forças que restringem e alteram a orientação do seu ambiente fibroso extracelular. Isso levanta novas questões sobre os mecanismos moleculares dessas funções e como as células regulam as forças que exercem e como gerenciam a extensão da deformação da matriz.”
“A cicatrização de feridas é um excelente exemplo de como esses processos são importantes do ponto de vista fisiológico”, disse Genin. – Seremos capazes de obter informações sobre como treinar as células para não engrossar demais o colágeno ao seu redor.