Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

Los tendones son los tejidos resistentes y similares a cuerdas que conectan el músculo al hueso, permitiéndonos movernos con fuerza y precisión. Dentro de estos tejidos, células especializadas llamadas fibroblastos de tendón actúan como la cuadrilla de construcción, construyendo y reparando constantemente la matriz extracelular. Esta matriz es un andamio complejo de proteínas, principalmente colágeno, que le otorga al tendón su estructura y capacidad para soportar la fuerza. Para que estas células puedan hacer su trabajo correctamente, deben ser capaces de percibir el entorno físico que las rodea. Sienten la rigidez de los materiales en los que están incrustadas y ajustan su comportamiento en consecuencia. Si el entorno es demasiado blando o demasiado duro, o si las células están atrapadas de una manera que les impide moverse, el trabajo de construcción puede fallar, provocando lesiones o una mala curación. Comprender exactamente cómo estas células interpretan su entorno físico es crucial para desarrollar mejores tratamientos para las lesiones de los tendones y para diseñar materiales artificiales que puedan ayudar a reparar el tejido dañado.

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que la rigidez de una superficie influye en cómo se comportan las células, pero las reglas cambian dependiendo de si las células están sentadas sobre una superficie plana o flotando dentro de un gel tridimensional. En un mundo plano y bidimensional, las células generalmente se extienden más y se vuelven más activas cuando se colocan en una superficie más rígida. Sin embargo, cuando las células están atrapadas dentro de un gel tridimensional, las reglas a menudo se invierten: un gel más rígido puede, de hecho, apretar a la célula, dificultando que se extienda y haga su trabajo. Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan se propuso ver cómo estas diferentes reglas se aplican a los fibroblastos de los tendones y, más específicamente, cómo afectan al nuevo material que estas células construyen. El equipo quería saber si la dimensionalidad del entorno —plano frente a tridimensional— cambia la forma en que las células del tendón responden a la rigidez y depositan su nueva matriz.

Para investigar esto, los investigadores utilizaron un tipo especializado de gel hecho de ácido hialurónico, una sustancia natural que se encuentra en el cuerpo, la cual modificaron para permitirles ajustar su rigidez con precisión. Cultivaron fibroblastos de tendón de la cola de ratón y los colocaron en dos configuraciones diferentes. En la primera configuración, las células fueron sembradas sobre geles planos con niveles de rigidez de 10 y 25 kilopascales. En la segunda configuración, las células fueron encapsuladas dentro de geles tridimensionales con niveles de rigidez de 5, 10 y 50 kilopascales. Para ver exactamente qué nuevo material estaban fabricando las células, los científicos utilizaron una técnica de etiquetado ingeniosa. Alimentaron a las células con una molécula de azúcar que las células incorporaron en sus proteínas recién construidas. Más tarde, añadieron una etiqueta luminosa que se unía específicamente a este azúcar, lo que les permitió ver la matriz naciente y fresca mientras era depositada alrededor de las células.

En los cultivos planos, de dos dimensiones, los resultados siguieron el patrón esperado. Cuando las células estaban sobre el gel más rígido, se extendían más, volviéndose más planas y grandes. Esta extensión iba acompañada de un cambio en la señalización interna de la célula, específicamente el movimiento de una proteína llamada YAP hacia el núcleo de la célula, que actúa como un interruptor para el crecimiento y la producción de matriz. Como resultado, las células en el gel más rígido de 25 kilopascales depositaron significativamente más matriz nueva que aquellas en el gel más blando de 10 kilopascales. Los investigadores observaron que la nueva matriz comenzaba como pequeños puntos cerca de la célula, pero eventualmente crecía en redes fibrosas continuas, un proceso que ocurría con el tiempo independientemente de la rigidez, aunque la cantidad total era mayor en la superficie más rígida.

La historia cambió completamente cuando las células fueron colocadas dentro de los geles tridimensionales. Aquí, la relación entre la rigidez y el comportamiento celular se invirtió. Las células en los geles más blandos, de 5 y 10 kilopascales, pudieron extenderse ligeramente más y mostraron niveles más altos de la proteína YAP en sus núcleos en comparación con las células en el gel más rígido de 50 kilopascales. Las células en el gel rígido 3D permanecieron pequeñas y redondas, atrapadas por la red apretada del material. En consecuencia, la cantidad de nueva matriz que depositaron fue menor en el gel rígido que en los más blandos. Curiosamente, las células en el gel de 10 kilopascales produjeron la mayor cantidad de nueva matriz de todas, incluso más que las del gel de 5 kilopascales, lo que sugiere que existe una rigidez óptima para la producción de matriz en tres dimensiones que es distinta de la tendencia observada en los cultivos planos.

Los investigadores también analizaron las instrucciones genéticas dentro de las células para entender qué planeaban construir. Descubrieron que las células en los geles 3D más blandos activaron genes asociados con la formación de tendones saludables, como los del colágeno tipo I y la tenascina C. En contraste, las células en el gel rígido de 50 kilopascales redujeron estos genes específicos del tendón y, en su lugar, mostraron signos de un estado diferente, menos propio del tendón. Produjeron menos del colágeno específico que forma el entorno pericelular de las células del tendón y más de un tipo diferente de colágeno que suele encontrarse en las membranas basales. Este cambio en la programación genética confirmó que el confinamiento físico del gel rígido estaba alterando fundamentalmente la identidad de la célula y su capacidad para funcionar como constructora de tendones.

El estudio destaca que la dimensionalidad del entorno es un factor crítico en cómo las células del tendón perciben y responden a su entorno. Mientras que una superficie más rígida fomenta la producción de matriz en un cultivo plano, un gel tridimensional más rígido puede, de hecho, suprimirla al restringir físicamente a la célula y cambiar su programa genético. Este hallazgo sugiere que hacer un material más rígido no siempre es la respuesta para fomentar la reparación de los tejidos. En su lugar, el diseño de biomateriales para la curación de tendones debe tener en cuenta la naturaleza tridimensional del tejido, asegurando que el material sea lo suficientemente blando como para permitir que las células se extiendan y activen sus genes de construcción de tendones, pero lo suficientemente estructurado como para apoyar la formación de una nueva matriz robusta. Al mapear estas complejas interacciones, los investigadores han proporcionado una guía más clara para la creación de entornos artificiales que puedan apoyar eficazmente los mecanismos naturales de reparación del cuerpo.