Las células son capaces de detectar y responder a estímulos mecánicos de su entorno (provenientes de la matriz extracelular), tales como la rigidez o la deformación, y estos son traducidos a señales bioquímicas entre la matriz y la célula. Estas últimas tienen la necesidad de unirse y diseminarse a un sustrato, lo que genera ciertos impulsos contráctiles internos.
De tal forma, podría decirse que las fuerzas de tracción celular juegan un papel clave en la regulación de la adherencia celular, en la señalización y, por consiguiente, en los procesos de inflamación, cicatrización, angiogénesis y metástasis. Así, el estudio de las inercias celulares permite comprender los diferentes mecanismos biológicos. Sin embargo, uno de los principales retos en este marco de estudio, es el hecho de tratar adecuadamente las diferencias existentes entre las interacciones en entornos bidimensionales y tridimensionales hasta tal punto que, actualmente y en estos últimos años, los modelos 3D se han convertido en una herramienta esencial para el desarrollo de diferentes terapias médicas debido a su alto grado de afinidad con el comportamiento realista deseado de reproducir.
Para cuantificar las fuerzas celulares se utiliza la técnica de microscopia de fuerza de tracción (MFT), la cual está basada en la medición de la deformación del sustrato gracias al conocimiento de sus propiedades mecánicas. Este método se fundamenta en una secuencia de pasos entre las que destacan la introducción de esferas fluorescentes micrométricas (beads), la inhibición de la tracción celular mediante el uso de fármacos y la obtención de imágenes de los desplazamientos de los beads fluorescentes.
Posteriormente, dichos desplazamientos son expresados analíticamente como un procedimiento algebraico, más concretamente, en forma de problema inverso en el que es necesario resolver un conjunto de ecuaciones lineales (necesarias para relacionar los desplazamientos medidos de los beads con la tracción celular) haciendo uso del Método de Elementos Finitos (EF). Dicho formalismo matemático no es capaz de proporcionar la solución exacta a un problema, pero sí permite obtener una resolución aproximada y razonable para dar respuesta a un problema práctico. La MFT fue aplicada originalmente en estudios con sustratos 2D, sin embargo, las diferencias significativas de estas primeras caracterizaciones respecto a los modernos entornos tridimensionales, han hecho que la balanza acabe declinándose a favor del empleo de estos últimos hoy en día. En este punto se puede afirmar que un mejor entendimiento de la interacción entre la célula y la matriz hace posible el desarrollo de nuevas terapias relacionadas con los defectos de estas interacciones, como en el caso de las células tumorales.
Con el objetivo de conocer más detalles acerca de las fuerzas de tracción celular, hemos tenido el privilegio de poder entrevistar a una experta en esta disciplina, la Dra. María Del Mar Cóndor Salgado, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza y del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de KU Leuven (Bélgica). Para contextualizar el tema tratado con nuestra protagonista, es importante subrayar dos de sus últimos artículos que están basados en el estudio de las fuerzas propias de las interacciones celulares citadas previamente y su posterior descripción cuantitativa a través de la MFT (cuyo análisis se fundamenta en el problema inverso presentado y resuelto mediante EF). La exploración de esta técnica permitirá el futuro desarrollar nuevas terapias y mecanismos para novedosos tratamientos médicos que actualmente no son posibles.
Dra. Mar Cóndor Salgado
My Scientific Journal. Viendo tus publicaciones, nos surge una primera pregunta, ¿cuáles son las diferencias más importantes al comparar el comportamiento celular en entornos 2D frente a 3D? Tus investigaciones se centran en el ámbito tridimensional, por tanto, ¿qué técnicas habéis empleado para realizar dichos estudios en este escenario? Mar Cóndor Salgado. Desde hace más de 40 años, el cultivo celular en dos dimensiones (2D) o monocapa en placa de poliestireno, es la herramienta básica de investigación que utilizamos en el campo de la biología celular. Básicamente células provenientes de un órgano o tejido, normal o tumoral, son mantenidas en estas placas junto con medios de cultivo de composición química específica y con condiciones controladas de temperatura, pH y humedad. Sin embargo, el cultivo de las células en 2D no reproduce la anatomía o fisiología de un tejido. En los últimos años se han desarrollado una serie de modelos de cultivo celular tridimensionales (3D), en los que el entorno del cultivo tiene en cuenta la organización espacial de las células en su interior, y como consecuencia han revolucionado campos como el de la ingeniería tisular o la medicina regenerativa. Numerosos investigadores nos hemos centrado en el estudio, desarrollo e implementación de modelos 3D de cultivo celular in vitro, gracias a los cuales hemos demostrado que las células se comportan de manera muy distinta cuando se encuentran encapsuladas en ambientes 3D, a cuando éstas se encuentran en ambientes 2D. Las diferencias radican en aspectos tan fundamentales como es su morfología o su proliferación, pero también en otros tan relevantes como es la diferenciación, la viabilidad, la expresión de ciertos genes y proteínas, o incluso en el modo en el que estas se adhieren, alterando por tanto las fuerzas que éstas generan en la matriz extracelular circundante, las cuales son cruciales en los procesos de migración e invasión celular.
En particular yo me he especializado en el estudio de las fuerzas celulares en ambientes 3D mediante el uso de la microscopia de fuerza de tracción (MFT). Este método experimental nos permite determinar las fuerzas que generan las células mediante la medición del campo de desplazamiento circundante de la matriz extracelular. Para ello utilizamos sistemas de cultivo in vitro en el que encapsulamos las células en el interior de un hidrogel -natural o sintético- que imita las propiedades y estructuras de nuestros tejidos, y mediante la aplicación de técnicas de microscopía confocal y el uso de la mecánica computacional -método de elementos finitos- somos capaces de calcular de forma precisa la fuerzas que éstas generan.
Dra. Mar Cóndor Salgado
MSCJ. ¿A qué puede deberse que varios grupos de investigación a la hora de realizar el problema inverso mediante el Método de Elementos Finitos (FEM por sus siglas en inglés) ignoren el comportamiento no lineal del material? ¿La utilización de formas idealizadas de las células supone una diferencia muy significativa respecto al empleo de geometrías celulares realistas? MCS. Para el cálculo de las fuerzas celulares utilizamos lo que se conoce como método inverso, puesto que conocemos la respuesta o la deformación que éstas producen en la matriz extracelular durante su migración y queremos determinar las fuerzas que éstas generan, y no al contrario. Pero para resolver estas ecuaciones necesitamos además conocer el comportamiento mecánico del material que las rodea, la matriz extracelular.Si algo he aprendido en los últimos años, es que el comportamiento mecánico de los materiales biológicos es extremadamente complejo. A diferencia de todo lo que aprendí durante mis estudios de ingeniería, cuando investigamos el comportamiento de nuestros tejidos observamos que estos se comportan de forma muy diversa en función de la naturaleza de las fuerzas externas a las que están sometidos. Por ejemplo, sabemos que las fibras de nuestros músculos están perfectamente alineadas en ciertas direcciones para soportar mejor las cargas en la dirección a la que normalmente trabajan; o el simple hecho de que nuestro cuerpo esté formado por un 70% de contenido en agua hace que durante el transporte de agua e iones en el interior de nuestros tejidos se produzca el fenómeno de swelling o hinchazón, que hace que las propiedades de estos y por tanto su comportamiento cambie drásticamente en tan solo unos pocos segundos.
Todo esto hace que sea mucho más complejo definir su comportamiento mediante leyes físicas simples o convencionales, y hace que se necesite recurrir a leyes matemáticas más complejas, como el uso de modelos de material no lineales. Sin embargo y a pesar de la complejidad asociada al uso de estas leyes no lineales de comportamiento, nos ha conducido al desarrollo de algoritmos mucho más exactos con los que investigar el comportamiento de las células en cualquier tipo de tejido y al mismo tiempo obtener datos mucho más precisos y por tanto más reales de los valores de fuerzas celulares. Todo esto nos ha conducido a una mejor comprensión de cómo las células usan las fuerzas cuando éstas migran o invaden ambientes tridimensionales y a entender mejor el funcionamiento de procesos patológicos tan complejos como es el cáncer.
Del mismo modo, el uso de las geometrías celulares reales para el cálculo de las fuerzas en vez del uso de modelos in silico celulares, hace que obtengamos una mejor descripción de qué es lo que está sucediendo a tiempo real, tanto en el interior de las células (como es el posicionamiento del núcleo) o en el entorno celular (cómo éstas se polarizan ante una señal química). Pero para ello, se requiere también una tecnología de microscopía mucho más avanzada, precisa y de alta resolución, como es la microscopia confocal combinada con microscopía de excitación de dos fotones o multiphoton, con las que trabajo actualmente, y que debido al altísimo coste económico que éstas suponen hacen que no sean de fácil acceso.
MSCJ. En uno de tus trabajos utilizáis un instrumento microfluídico. ¿Podrías explicarnos en qué consiste este instrumento y qué función desempeña en este contexto? MCS. En particular, el dispositivo que nosotros usamos en este estudio, pionero en su aplicación para el cálculo de fuerzas celulares, está compuesto por tres canales o dominios diferentes. Un canal central, el cual usamos para recrear el microambiente celular, en el que introducimos las células y la matriz extracelular de estudio; y dos canales laterales que usamos para introducir el medio de cultivo (necesario para mantener las células vivas) junto con otros compuestos químicos que debido a su fácil intercambio, nos permite mantener las células en condiciones fisiológicas por largos periodos de tiempo. Una de las principales ventajas que aporta al cálculo de las fuerzas celulares, además de reproducir las condiciones fisiológicas, es que durante la aplicación de las técnicas de microscopía de fuerza de tracción aseguramos un control de volumen y forma durante todo el proceso, el cual es de suma relevancia en la imposición de las condiciones para el cálculo de las fuerzas. Además, esta tecnología nos ha permitido investigar conceptos tan importantes como son la chemotaxis, o cambios en las células como consecuencia de la aplicación de un factor químico (por ejemplo una droga), o la haptotaxis, o la respuesta celular a cambios en la rigidez de la matriz extracelular.
MSCJ. El método inverso no lineal (PBNIM por sus siglas en inglés) propuesto permite estimar con precisión desplazamientos celulares y tracción en experimentos 3D MFT con hidrogeles elásticos no lineales. Bajo tu punto de vista, ¿esto supone un gran paso en el campo de la microscopía de fuerza de tracción? MCS. Sin duda. Gracias a este último trabajo, publicado muy recientemente en Soft matter, y fruto de la colaboración de investigadores de universidades españolas y belgas, hemos logrado extender los algoritmos existentes hasta el momento que se ceñían al cálculo de fuerzas en sistemas unicelulares y mayormente lineales, al cálculo de forma precisa de las fuerzas celulares en 3D para sistemas multicelulares no lineales. Más en particular para el estudio de la angiogénesis o la formación de nuevos vasos sanguíneos en el interior de geles de colágeno (trabajo que será próximamente publicado). 
Dra. Mar Cóndor Salgado
MSCJ. Para concluir, nos gustaría conocer un poco a cerca de tu experiencia en el extranjero. ¿Qué significó para ti, personal y profesionalmente, el traslado de España a Bélgica? ¿Recomendarías este “salto” para los jóvenes investigadores? ¿Cómo comenzó tu andadura en el estudio de la microscopía de la fuerza de tracción? Y, finalmente, ¿a dónde te ha conducido esta investigación actualmente? En cuanto a mis inicios en el campo de la microscopía de fuerza de tracción, tuve la gran suerte de realizar mis estudios de doctorado en el laboratorio del Prof. J.M. García Aznar, en la Universidad de Zaragoza, durante el periodo en el que obtuvo una ERC Starting Grant para investigar como la señalización tanto mecánica como química afecta a la respuesta celular. Él fue mi mentor, me transmitió la pasión por la mecanobiología y me introdujo en el maravilloso mundo de la microscopía de fuerza de tracción. Tras finalizar mis estudios de doctorado, me convertí en una experta y gracias a ello se me abrieran nuevas oportunidades en mi carrera profesional. Es por ello que decidí mover mi carrera científica al laboratorio del Prof. Hans Van Oostweryck, en la KU Leuven, donde actualmente estudio la angiogénesis mediante la combinación de técnicas de microscopía de fuerza de tracción y el uso de sensores basados en la transmisión de la energía de resonancia o FRET, que son el futuro en la medición de fuerzas a nivel subcelular.
Referencias
- J. A. Sanz-Herrera, J. Barrasa-Fano, M. Cóndor and H. Van Oosterwyck. (2021) Inverse method based on 3D nonlinear physically constrained minimisation in the frameworkof traction force microscopy. Soft Matter. DOI: 10.1039/d0sm00789g
https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(19)30170-5
https://currentprotocols.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cpcb.24
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/SM/D0SM00789G#!divAbstract
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169260719305358?via%3Dihub
Documentación y entrevista
