La física simple puede desempeñar un papel más importante de lo que se pensaba anteriormente para ayudar a controlar los procesos corporales clave, como la forma en que el cuerpo combate las infecciones.
Utilizando un sistema modelo de vasos sanguíneos construido sobre un microchip de polímero, los investigadores han demostrado que la relativa suavidad de los glóbulos blancos determina si permanecen inactivos a lo largo de las paredes de los vasos o si entran en la circulación sanguínea para combatir infecciones. Cambios en estas propiedades mecánicas de las células- de rígido a blando - puede desencadenarse como un efecto secundario de medicamentos comúnmente utilizados para combatir la inflamación o aumentar la presión arterial.
Otros investigadores han descubierto que el flujo sanguíneo afecta las células que recubren las arterias y que las partículas dentro de las células tienden a congregarse cerca de las paredes celulares. Una mejor comprensión del papel de la física en el ajuste de tales procesos biológicos podría dar a los investigadores nuevos enfoques para el diagnóstico y el tratamiento.enfermedad.
El trabajo, que se cree el primero en mostrar cómo los efectos biofísicos pueden controlar dónde se encuentran los glóbulos blancos dentro de la circulación sanguínea, se publicará el 8 de febrero en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias . La investigación fue apoyada por el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre de los Institutos Nacionales de Salud NIH, la National Science Foundation NSF y la American Heart Association.
"Estamos demostrando que los glóbulos blancos, también conocidos como leucocitos, responden físicamente a estos medicamentos y que esa respuesta tiene una consecuencia biológica", dijo Wilbur Lam, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Biomédica de Georgia Tech yEmory University. "Esto puede sugerir nuevas formas de tratar enfermedades y nuevos lugares para buscar información de diagnóstico. Puede haber biomarcadores de enfermedades basados en la física que podamos usar además de los marcadores biológicos y bioquímicos comunes que hemos estado usando".
El grupo de investigación de Lam comenzó a estudiar el problema para comprender mejor un efecto secundario común de los medicamentos glucocorticoides como la hidrocortisona utilizados para tratar trastornos inflamatorios como el asma y las reacciones alérgicas. Estos medicamentos hormonales provocan un aumento en el recuento de glóbulos blancos, un cambio que tuvose ha atribuido a procesos biológicos, incluida una "adherencia" reducida entre las células y las paredes de los vasos sanguíneos. El aumento en el recuento de glóbulos blancos también se observa con medicamentos que apoyan la presión arterial, como la epinefrina, también conocida como adrenalina.
"La explicación biológica de esto parecía no ser suficiente, por lo que pensamos que algo de lo que estaba sucediendo podría atribuirse a otros factores, como problemas físicos y mecánicos", dijo Lam, quien también es médico en el Cáncer Aflacy el Centro de Trastornos de la Sangre de Children's Healthcare de Atlanta y el Departamento de Pediatría de la Facultad de Medicina de la Universidad de Emory.
Para examinar la teoría, la estudiante graduada Meredith Fay y el investigador postdoctoral David Myers construyeron sistemas modelo de vasos sanguíneos que incluyen vasos sanguíneos artificiales con diámetros tan estrechos como los capilares más pequeños del cuerpo. Para aislar los efectos atribuibles solo a la física, los sistemas:que fueron fabricados en el Instituto de Electrónica y Nanotecnología de Georgia Tech, no incluían las células endoteliales que normalmente recubren los vasos sanguíneos del cuerpo.
Utilizando muestras de sangre tomadas de un voluntario humano sano, estudiaron el comportamiento de los glóbulos blancos en presencia y ausencia de los medicamentos dexametasona, un fármaco glucocorticoide, y epinefrina. Trabajando con Georgia Tech Professor of MechanicalIngeniería Todd Sulchek, también utilizaron microscopía de fuerza atómica para caracterizar la rigidez de los glóbulos blancos individuales antes y después de haber estado expuestos a los medicamentos, y determinaron que los medicamentos hacen que las células se vuelvan significativamente más suaves que antes de la exposición.
"Cuando rotulamos fluorescentemente los glóbulos blancos y los perfundimos en los vasos artificiales, los glóbulos blancos siempre fluyen a lo largo del borde, en las paredes de estos vasos sanguíneos artificiales", dijo Lam. "Pero cuando están expuestos ala droga, van al centro del canal y entran al flujo sanguíneo principal. Luego, descubrimos que las drogas hacen que las células remodelen la actina, que comprende el 'esqueleto' de todas las células de mamíferos ".
La hipótesis general del grupo es que el cuerpo usa las propiedades mecánicas de estas células para ayudar a controlar su actividad y dónde se encuentran dentro de la circulación. La relativa suavidad o rigidez de las células, que chocan constantemente con miles de millones de otras células en elEl torrente sanguíneo, incluidos los glóbulos rojos y blancos, hace que las células se auto clasifiquen y determina dónde terminan físicamente dentro de los vasos sanguíneos modelo y en el cuerpo humano.
"Las células blandas siempre fluyen en el medio del torrente sanguíneo, mientras que las rígidas están secuestradas en los bordes", dijo Lam. "Creemos que así es como las células blancas de la sangre transitan en el cuerpo y llegan al sitio de uninfección. Esta puede ser una forma en que el cuerpo clasifica y dirige sus glóbulos blancos de manera muy eficiente para llevarlos a donde se necesitan ".
Como siguiente paso, Lam espera estudiar cómo las propiedades físicas afectan el movimiento de las células madre hematopoyéticas utilizadas en los trasplantes de médula ósea. Una vez inyectadas por vía intravenosa en el cuerpo, las células se mueven rápidamente de la circulación a los sitios de la médula ósea donde pertenecen, yél cree que las propiedades mecánicas también pueden desempeñar un papel en este proceso de referencia.
"Siempre que hay un cambio en alguna actividad celular o actividad fisiológica, tendemos a tratar de explicar todo a nivel genético: qué genes se desactivan y qué genes se activan", dijo. "La expresión génica es relativamente complejaproceso, y nuestra hipótesis es que probablemente haya muchos procesos celulares que son mucho más simples y más eficientes que el paradigma típico de expresión de ADN, luego traducción de ARN y luego producción de proteínas. Un pequeño ajuste de la actina de un glóbulo blanco permitiráque cambie de rígido a blando, y ese pequeño cambio, en sí mismo, puede tener profundas consecuencias fisiológicas y permitir que sea transportado de una parte del cuerpo a otra ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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