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# Biología # Bioingeniería

Revolucionando el Crecimiento Celular: El Enfoque BigMACS

Descubre cómo los BigMACS están cambiando la ingeniería de tejidos y el cultivo celular.

Sabrina Schoenborn, Mingyang Yuan, Cody A. Fell, Chuanhai Liu, David F. Fletcher, Selene Priola, Hon Fai Chan, Mia Woodruff, Zhiyong Li, Yi-Chin Toh, Mark C. Allenby

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En el mundo de la ciencia, hay un área fascinante que se centra en cómo nuestro cuerpo crea tejidos y células. Así como un chef necesita medidas precisas y los ingredientes adecuados para hacer un pastel delicioso, los investigadores trabajan duro para recrear esos ingredientes en un laboratorio. Están tratando de cultivar tejidos y células usando técnicas innovadoras conocidas como sistemas de cultivo mecánicamente activos grandes (BigMACS). Pero, ¿qué son los BigMACS y por qué son tan importantes? ¡Vamos a profundizar!

¿Qué son los BigMACS?

Los BigMACS son sistemas especializados diseñados para cultivar células y tejidos de una manera que imita cómo existen y funcionan en el cuerpo. Imagina una pequeña fábrica donde las células son los trabajadores, y los ingredientes que necesitan son nutrientes y fuerzas mecánicas. Los investigadores han descubierto que el entorno en el que crecen estas células importa mucho. Si fueras una planta, ¿preferirías crecer en un desierto seco o en una selva tropical exuberante? ¡Las células tienen preferencias similares!

¿Cómo Son Diferentes los BigMACS?

Los métodos tradicionales de cultivo celular a menudo pasan por alto la importancia del entorno mecánico. No se trata solo de lanzar células en un plato con algunos nutrientes y esperar lo mejor. Los BigMACS llevan las cosas un paso más allá al aplicar fuerzas mecánicas, como estiramientos o compresiones, a las células. Esto les ayuda a comportarse más como lo harían en el cuerpo. Piensa en ello como darles un pequeño ejercicio a las células para mantenerlas sanas y felices.

El Papel del Estrés Mecánico

El estrés mecánico es como el aderezo extra en una receta que realmente puede resaltar el sabor. Los investigadores han descubierto que diferentes niveles de estrés pueden cambiar cómo crecen y se comportan las células. ¿Demasiado estrés? Las células se ponen tristes y pueden no sobrevivir. ¿Muy poco? Podrían no crecer como deberían. Al igual que Ricitos de Oro buscando la gachas perfectas, los científicos están tratando de encontrar la cantidad "justa" de estrés para sus células.

Componentes de BigMACS

Los BigMACS vienen con una variedad de componentes geniales. Una de las características clave involucra bioreactores, que son como contenedores especiales que permiten a las células crecer mientras están expuestas a estas fuerzas mecánicas. ¡Imagina un castillo inflable para células, donde pueden estirarse, rebotar y ponerse en forma!

Bioreactores Robóticos Blandos

Una parte divertida de los BigMACS es el uso de bioreactores robóticos blandos. Estos artilugios de alta tecnología pueden imitar los movimientos y fuerzas presentes en tejidos humanos reales, como los músculos o los vasos sanguíneos. Así como un entrenador personal adapta los entrenamientos a tus necesidades, estos bioreactores pueden crear condiciones específicas que ayudan a las células a crecer en los tipos de tejidos necesarios para diversas aplicaciones médicas.

La Importancia de las Condiciones locales

Las células no existen en aislamiento; interactúan entre sí y con su entorno. Los investigadores están descubriendo cómo las condiciones locales—como las fuerzas específicas que actúan sobre un pequeño grupo de células—pueden influir en cómo se comportan. Es un poco como un grupo de amigos planeando una fiesta sorpresa. Si una persona no está de acuerdo, puede arruinar todo el plan. Así que, entender estas condiciones locales es crucial.

Los Desafíos

A pesar del emocionante potencial de los BigMACS, los investigadores enfrentan varios desafíos. Por un lado, las fuerzas mecánicas aplicadas por los bioreactores pueden llevar a resultados inconsistentes. Es como intentar hornear un pastel sin seguir la receta—podrías terminar con un desastre deforme.

Además, los científicos a menudo tienen que lidiar con los efectos de pequeñas imperfecciones, o "artefactos," que pueden ocurrir durante la fabricación de estos sistemas. Al igual que una pequeña quemadura en el borde de un pastel puede afectar su apariencia, estos artefactos pueden influir en la forma en que las células perciben su entorno.

La Necesidad de Mejores Modelos

Para realmente aprovechar el poder de los BigMACS, los investigadores están buscando mejores formas de modelar cómo responden las células a las fuerzas mecánicas. Están desarrollando simulaciones avanzadas que pueden predecir cómo se comportarán las células en diferentes condiciones. Esto es similar a cómo un entrenador deportivo estudia las jugadas de un oponente para idear estrategias. Al entender mejor estas dinámicas, los investigadores esperan ajustar el entorno para un crecimiento celular óptimo.

Los Resultados Emocionantes

Los resultados preliminares de la utilización de BigMACS han mostrado promesa. Las células expuestas al tipo correcto de acondicionamiento mecánico han mostrado un crecimiento mejorado e incluso se han diferenciado en tipos específicos de células, como las que componen los músculos. ¡Es como convertir a un montón de generalistas en chefs especializados que pueden preparar platos gourmet!

Un Mundo de Posibilidades

Entonces, ¿por qué importa todo esto? Bueno, los BigMACS podrían allanar el camino para nuevos tratamientos en medicina regenerativa. Podrían ayudar a los científicos a cultivar tejidos para trasplantes, crear mejores modelos para estudiar enfermedades o incluso entender cómo diseñar mejores medicamentos. Las posibilidades son prácticamente infinitas—¡como un buffet libre para la investigación celular!

El Futuro de los BigMACS

A medida que los investigadores continúan refinando estos sistemas y entienden mejor la relación entre las fuerzas mecánicas y el comportamiento celular, el futuro se ve brillante. Imagina un mundo donde podamos cultivar órganos en un laboratorio, reduciendo la necesidad de listas de espera para trasplantes. O considera los avances en medicina personalizada, donde los tratamientos se adaptan a las necesidades de cada paciente.

Conclusión

En resumen, los sistemas de cultivo mecánicamente activos grandes (BigMACS) están sacudiendo el mundo del cultivo celular y la ingeniería de tejidos. Con las condiciones mecánicas adecuadas, las células pueden prosperar y comportarse mucho como lo hacen en el cuerpo humano. El camino para perfeccionar estos sistemas está en curso, pero los beneficios potenciales podrían cambiar el rostro de la medicina tal como la conocemos. ¡Es un momento emocionante para estar involucrado en este campo, y no podemos esperar a ver qué avances vienen en camino!

Así que, la próxima vez que oigas sobre cultivo celular, recuerda que no se trata solo de mezclar un poco de cosas en un plato de Petri—¡se trata de crear el ambiente perfecto para el crecimiento, como hacer un pastel que impresionaría incluso al crítico gastronómico más exigente!

Fuente original

Título: Simulating big mechanically-active culture systems (BigMACS) using paired biomechanics-histology FEA modelling to derive mechanobiology design relationships.

Resumen: Big mechanically-active culture systems (BigMACS) are promising to stimulate, control, and pattern cell and tissue behaviours with less soluble factor requirements, however, it remains challenging to predict if and how distributed mechanical forces impact single-cell behaviours to pattern tissue. In this study, we introduce a centimetre, tissue-scale, finite element analysis (FEA) framework able to correlate sub-cellular quantitative histology with centimetre-scale biomechanics. Our framework is relevant to diverse bigMACS; media perfusion, tensile-stress, magnetic, and pneumatic tissue culture platforms. We apply our framework to understand how the design and operation of a multi-axial soft robotic bioreactor can spatially control mesenchymal stem cell (MSC) proliferation, orientation, differentiation to smooth muscle, and extracellular vascular matrix deposition. We find MSC proliferation and matrix deposition correlate positively with mechanical stimulation but cannot be locally patterned by soft robot mechanical stimulation within a centimetre scale tissue. In contrast, local stress distribution was able to locally pattern MSC orientation and differentiation to smooth muscle phenotypes, where MSCs aligned perpendicular to principal stress direction and expressed increased -SMA with increasing 3D Von Mises Stresses from 0 to 15 kPa. Altogether, our new biomechanical-histological simulation framework is a promising technique to derive the future mechanical design equations to control cell behaviours and engineer patterned tissue generation.

Autores: Sabrina Schoenborn, Mingyang Yuan, Cody A. Fell, Chuanhai Liu, David F. Fletcher, Selene Priola, Hon Fai Chan, Mia Woodruff, Zhiyong Li, Yi-Chin Toh, Mark C. Allenby

Última actualización: 2024-12-12 00:00:00

Idioma: English

Fuente URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.08.627430

Fuente PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.08.627430.full.pdf

Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.

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