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Pesquisadores descobrem como células embrionárias sentem seu ambiente mecânico para formar tecidos coletivamente

O sentido do tato de uma célula-tronco

Embrião de peixe-zebra. Crédito: UC Santa Bárbara

Construir tecidos e órgãos é uma das tarefas mais complexas e importantes que as células devem realizar durante a embriogênese. Células individuais não tomam essas decisões; em vez disso, construir tecido é uma tarefa coletiva que exige que as células se comuniquem constantemente umas com as outras. Existem diferentes métodos de comunicação, incluindo pistas químicas, semelhantes ao olfato de uma célula, e também pistas mecânicas, o sentido do tato da célula. Pesquisadores em vários campos ficaram fascinados com a comunicação celular por décadas e descobriram como as células usam sinais bioquímicos para esse propósito. No entanto, como as células usam o sentido do tato para tomar decisões durante a embriogênese ainda é um mistério.

O professor Otger Campàs é um desses pesquisadores. Agora, com um artigo publicado na revista Materiais da Natureza, ele e sua equipe de pesquisa nos levam um passo mais perto de desvendar esse mistério. Neste trabalho, que foi concluído em sua maior parte na UC Santa Barbara, os pesquisadores relatam como células dentro de um embrião vivo testam mecanicamente seu ambiente e quais parâmetros e estruturas mecânicas eles percebem.

“Sabemos muito sobre como células sentem e respondem a sinais mecânicos em um prato, mas sabemos muito pouco sobre como as células fazem isso dentro de um embrião, onde seu microambiente é muito diferente”, disse Campàs, agora professor do Cluster de Excelência em Física da Vida (PoL) do Technisiche Universität Dresden, onde ocupa a cadeira de Tissue Dynamics e atua como diretor administrativo da PoL.

Essa detecção mecânica coletiva ajuda as células a fazer decisões importantescomo dividir, mover ou mesmo diferenciar, o processo pelo qual células-tronco transformam-se em células mais especializadas, capazes de desempenhar funções específicas. Uma pista importante surgiu há vários anos, quando se descobriu que as células-tronco colocadas em um substrato sintético dependem fortemente de pistas mecânicas para tomar suas decisões: as células em superfícies com rigidez semelhante ao osso tornaram-se osteoblastos (células ósseas), enquanto as células em superfícies com rigidez semelhante ao cérebro lenço de papel viraram neurônios. As descobertas avançaram muito no campo da engenharia de tecidos, pois os pesquisadores usaram essas dicas mecânicas para criar andaimes sintéticos para persuadir as células-tronco a se desenvolverem nos resultados desejados. Esses andaimes são agora usados ​​em uma ampla gama de aplicações biomédicas.

Mas um prato ou um andaime sintético não é o habitat natural da célula. As células residem em tecidos com características mecânicas muito complexas, disse Campàs. Que sinais mecânicos as células percebem dentro de um embrião enquanto constroem um organismo – sem andaimes externos e empurrando umas contra as outras em três dimensões – permaneceu desconhecido.

Até agora. Usando um ferramenta única desenvolvido no Campàs Lab, os pesquisadores foram capazes de sondar o ambiente mecânico nativo da célula dentro dos embriões e descobrir quais quantidades físicas as células percebem em sua busca para decidir o que se tornar.

“Primeiro estudamos como as células testam mecanicamente seu microambiente à medida que se diferenciam e constroem o eixo do corpo de um vertebrado, à medida que se diferenciam”, disse Campàs. “Células usavam saliências diferentes para empurrar e puxar seu ambiente. Então, quantificamos o quão rápido e forte eles estavam empurrando.” Usando uma gota de óleo ferromagnético inserida entre as células em desenvolvimento e submetida a um campo magnético controlado, eles conseguiram imitar essas minúsculas forças e medir a resposta mecânica dos arredores das células.

Crítico para estes células embrionárias‘ ações é seu estado físico coletivo, que Campàs e seu grupo de pesquisa encontraram em um papel anterior ser o de uma espuma ativa, semelhante em consistência a espuma de sabão ou espuma de cerveja, com células agrupadas, grudadas e puxando umas às outras. O que as células estão sondando mecanicamente, Campàs e sua equipe descobriram, é o estado coletivo dessa “espuma viva” – quão rígida ela é e quão confinada é a assembléia – em vez da rigidez de células individuais ou estruturas dentro deles.

“E bem no momento em que as células se diferenciam e decidem mudar seu destino, há uma mudança nas propriedades materiais do tecido que elas percebem”, disse Campàs. Segundo ele, no momento em que as células do tecido decidem seu destino, o tecido diminui sua rigidez.

O que ainda não foi comprovado neste estudo é se – e se sim, como – a mudança na rigidez no ambiente embrionário impulsiona a mudança no estado celular. Esse é um tópico complexo a ser explorado em pesquisas futuras, disse Campàs. “Existe uma interação entre as características mecânicas das estruturas que as células constroem coletivamente, como tecidos ou órgãos, e as decisões que elas tomam individualmente. Essa interação está no cerne de como a natureza constrói os organismos.”

As descobertas deste estudo também podem ter implicações importantes para a engenharia de tecidos. Materiais potenciais que imitam as características de espuma do tecido embrionário, em oposição aos polímeros sintéticos amplamente utilizados ou andaimes de gel, podem permitir que os pesquisadores criem tecidos, órgãos e implantes sintéticos mais robustos e sofisticados no laboratório, com as geometrias e características mecânicas para as funções desejadas.

Mais Informações:
Alessandro Mongera et al, Mecânica do microambiente celular sondado por células in vivo durante a diferenciação do mesoderma pré-somítico do peixe-zebra, Materiais da Natureza (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01433-9

Citação: Pesquisadores descobrem como as células embrionárias sentem seu ambiente mecânico para formar tecidos coletivamente (2023, 4 de janeiro) recuperado em 4 de janeiro de 2023 em https://medicalxpress.com/news/2023-01-uncover-embryonic-cells-mechanical-environment.html

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