Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Durante décadas, los científicos han sabido que las células vivas son sensibles a la dureza del suelo bajo ellas. Al igual que una persona podría caminar de forma diferente en una carretera pavimentada en comparación con un campo lodoso, las células cambian su forma, movimiento y estructura interna dependiendo de si están asentadas sobre una superficie rígida o una blanda. Esta capacidad de sentir y reaccionar a la rigidez mecánica se llama mecanosensibilidad. Es un proceso fundamental que ayuda a las células a decidir si crecer, dividirse o moverse, y desempeña un papel crítico en cómo se forman los tejidos y cómo se propagan enfermedades como el cáncer. Para estudiar esto, los investigadores suelen cultivar células en superficies artificiales que imitan el entorno natural del cuerpo. Dos de los materiales más comunes utilizados para estas superficies son los hidrogeles, que son geles ricos en agua similares al tejido dentro de nuestros cuerpos, y los elastómeros, que son plásticos similares a la goma.

Sin embargo, un enigma de larga data ha persistido en el laboratorio: las células se comportan de manera diferente en estos dos materiales incluso cuando se fabrican para tener la misma rigidez medida. En una superficie de goma blanda, las células a menudo actúan como si el material fuera mucho más rígido de lo que realmente es, negándose a extenderse como lo harían en un gel blando. Durante años, los científicos sospecharon que factores como la rugosidad de la superficie, la porosidad o las propiedades repelentes al agua eran los culpables. Pero la verdadera razón de esta discrepancia permanecía oculta, dejando un vacío en nuestra comprensión de cómo las células perciben realmente su mundo.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tubinga ha descubierto ahora la pieza faltante del rompecabezas. Descubrieron que las superficies similares a la goma utilizadas en estos experimentos poseen una propiedad física oculta llamada tensión de interfaz. Esta es una fuerza que actúa a lo largo del mismísimo borde donde el material sólido se encuentra con el entorno líquido, similar a la tensión que se siente en la superficie de una gota de agua. Los investigadores encontraron que en los sustratos de goma blanda, esta tensión de interfaz es sorprendentemente fuerte, variando de 10 a 20 milinewtons por metro. Esta fuerza es tan significativa que efectivamente endurece la superficie desde la perspectiva de la célula. Cuando una célula intenta presionar contra una superficie de goma blanda, encuentra no solo la blandura de la propia goma, sino también esta resistencia adicional de la tensión de interfaz. El resultado es que la célula detecta una superficie mucho más dura de lo que la goma es en realidad.

Para revelar esta fuerza invisible, el equipo utilizó una herramienta de imagen especializada llamada microscopía de conductancia iónica de barrido. A diferencia de los microscopios tradicionales que podrían presionar una muestra y aplastarla, esta técnica planea justo por encima de la superficie, midiendo el flujo de electricidad a través de una diminuta punta de vidrio llena de líquido. Al sondear suavemente las superficies de goma con este método, los investigadores pudieron medir cuánto se deformaba el material bajo una fuerza microscópica. Encontraron que, mientras que la goma se sentía blanda cuando se medía con herramientas de gran escala, parecía notablemente rígida bajo la diminuta punta del microscopio. Esta discrepancia ocurría porque la tensión de interfaz resistía la deformación, haciendo que la goma blanda se sintiera como un material mucho más duro.

Los investigadores luego probaron si eliminar esta tensión cambiaría el comportamiento de las células. Trataron las superficies de goma con una sustancia conocida como emulsionante, que está diseñada para reducir la tensión superficial. Tras este tratamiento, la tensión de interfaz cayó significativamente, descendiendo a alrededor de 3 a 4 milinewtons por metro. Cuando cultivaron células en estas superficies tratadas, el comportamiento cambió drásticamente. Las células ya no actuaban como si la superficie fuera rígida; en cambio, se extendieron y se comportaron exactamente como lo harían en un hidrogel blando. Esto confirmó que las células no estaban reaccionando a la dureza inherente de la goma, sino a la combinación del efecto de esa dureza y la tensión de interfaz.

Al combinar estas observaciones, el equipo desarrolló un modelo físico simple para explicar el fenómeno. Determinaron que las células detectan una "rigidez efectiva" que es la suma de la dureza real del material y un valor derivado de la tensión de interfaz. Esta relación depende de una escala de longitud específica, que los investigadores calcularon en aproximadamente 3 micrómetros. Este tamaño corresponde aproximadamente a la escala de los diminutos anclajes que las células usan para agarrarse a las superficies. El modelo sugiere que cada vez que una célula interactúa con un material blando, está sintiendo esencialmente una combinación de la rigidez volumétrica del material y la tensión en su superficie.

Este descubrimiento redefine cómo los científicos deben interpretar los experimentos que involucran materiales blandos. Explica por qué las células en sustratos de goma se han comportado histómente de manera diferente a las de los hidrogeles, incluso cuando se pretendía que los materiales fueran idénticos en rigidez. El estudio muestra que la tensión de interfaz es un factor crucial, aunque a menudo pasado por alto, en la mecanobiología. Para los investigadores, esto significa que no basta con igualar la rigidez de un material; también deben tener en cuenta la tensión en la superficie. Al comprender y controlar esta propiedad, los científicos pueden crear modelos más precisos del cuerpo humano, lo que conducirá a mejores conocimientos sobre cómo funcionan las células en la salud y la enfermedad. El trabajo destaca que el mundo físico que habitan las células es más complejo que una simple medida de dureza, involucrando un delicado equilibrio de fuerzas que dictan la vida a nivel microscópico.