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Na Suíça, engenharia de tecidos usa mecanobiologia e micromanipulação robótica para moldar tecidos vivos

Fonte

EPFL | Escola Politécnica Federal de Lausanne

Data

quinta-feira. 2 dezembro 2021 19:00

A mecânica dos tecidos embrionários exibe um comportamento viscoso (semelhante a um fluido) ou um comportamento elástico (semelhante a um sólido), dependendo das forças que atuam sobre eles. Na Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, o doutorando Erik Mailand e o Dr. Selman Sakar, professor de Engenharia Mecânica, decidiram aproveitar a reologia mecanorresponsiva de aglomerados de células para tecidos de engenharia com morfologias complexas de longa duração.

Da mecânica de uma única célula à organização multicelular

Os bioengenheiros há muito estudam os tecidos animais com o objetivo de conseguir criar réplicas para a medicina regenerativa e a triagem de drogas. Embora existam técnicas de fabricação que recuperam temporariamente a forma e a estrutura dos tecidos nativos, as morfologias não são estáveis. As células aplicam forças continuamente para organizar a si mesmas e às estruturas circundantes em um estado energeticamente favorável, e suas atividades físicas quase sempre perturbam essa ordem. “Queremos fornecer às células as pistas mecânicas corretas para que seu estado desejado coincida com nosso projeto para o tecido”, disse o professor Sakar, chefe do Laboratório de Sistemas MicroBioRobóticos (MICROBS) da EPFL. “Observamos repetidamente que as células tendem a colapsar o tecido devido ao surgimento de tensões superficiais.” O grupo de pesquisa do Dr. Sakar, portanto, estudou o comportamento de células individuais e tecidos microfabricados, a fim de compreender melhor os princípios físicos de auto-organização. Suas descobertas foram publicadas recentemente em dois artigos separados na revista científica Advanced Materials.

Inicialmente, os engenheiros realizaram experimentos de micromanipulação robótica para ver como as células respondem às forças dentro de uma matriz fibrosa. Para isso, eles desenvolveram um microatuador magnético do tamanho de uma célula, controlado remotamente, que pode ser operado dentro dos tecidos. “Esta plataforma permite-nos descobrir as condições de carregamento que alterariam a organização das células. Esses experimentos também são importantes para entender o surgimento de doenças como fibrose e câncer ”, disse o professor Sakar. Os engenheiros criaram uma réplica digital individual do sistema experimental para quantificar as tensões mecânicas geradas pelo microatuador. “Usamos a réplica digital para testar virtualmente diferentes esquemas de atuação mecânica e experimentos de design que revelariam novos insights”, disse Fazil Uslu, principal autor do primeiro artigo.

Transições de fase de lâminas epiteliais

Tendo aprendido com os primeiros experimentos, os engenheiros concentraram sua atenção no controle de tensões superficiais. Epitélios são tecidos robustos que sustentam a estrutura dos embriões e órgãos e servem como barreiras contra patógenos. Notavelmente, os epitélios podem se tornar elásticos, plásticos e viscosos, remodelando ativamente as junções célula-célula e modulando a distribuição de tensões locais. “Usamos microfabricação, mecânica computacional, microscopia de folha de luz e uma nova plataforma de micromanipulação robótica para mostrar que os géis de colágeno cobertos com uma folha epitelial contígua podem ser moldados livremente usando forças mecânicas”, disse Erik Mailand, principal autor do segundo artigo. O processo envolve transições reversíveis de sólido para fluido na folha epitelial e é passível de técnicas de fabricação aditivas e subtrativas. Os engenheiros demonstraram a robustez e versatilidade de sua estratégia guiando a automontagem de uma variedade de tecidos moldados, esculpidos e montados a partir do material de base.

Essa descoberta abre novos caminhos de pesquisa em engenharia de tecidos, com a esperança de que um dia os tecidos desenvolvidos em laboratório tenham a forma e a função adequadas para serem implantados em um paciente ou usados ​​para testar terapias. A descoberta também pode fornecer uma solução para o problema da vascularização do tecido. À medida que o tamanho dos tecidos projetados aumenta, as células que residem no núcleo não têm mais acesso ao meio circundante e requerem – como os nossos órgãos – vasos sanguíneos para perfusão. “Nossas descobertas indicam que seria possível esculpir túneis diretamente em um tecido que eventualmente seria estabilizado pelas células circundantes para criar redes fluídicas artificialmente”. concluiu o professor Selman Sakar. Mostrar que as células endoteliais apresentam características de resposta mecânica semelhantes às células epiteliais é o próximo objetivo do projeto.

Acesse o primeiro artigo científico completo (em inglês).

Acesse o segundo artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da EPFL (em inglês).

Fonte: Dr. Selman Sakar, EPFL.

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