Los investigadores de la NYU Tandon School of Engineering han descubierto una nueva forma de identificar el estado de las células individuales al incorporar principios de ingeniería mecánica y física en procesos que ahora se comprenden bien a nivel macro, pero aún no a nivel celularnivel: cómo los factores estresantes, como las lesiones y las enfermedades, fuerzan a un organismo a un nuevo nivel de equilibrio, un proceso biológico para encontrar una "nueva normalidad" llamada alostasis. Los hallazgos de los investigadores tienen implicaciones importantes para el diagnóstico y la estadificación de enfermedades crónicas como la hipertensióny diabetes.
El equipo, dirigido por Weiqiang Chen, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial y de ingeniería biomédica, y Vittoria Flamini, profesora asistente de industria de ingeniería mecánica y aeroespacial, utilizó imágenes de células en vivo y una novedosa herramienta micromecánica para aplicar un transitorio, el estrés físico local en las células mientras se miden simultáneamente las respuestas alostáticas dinámicas y la tensión del citoesqueleto de las células CSK y otras estructuras celulares, energías celulares.
El estudio, "Maquinaria mediada por energía impulsa la alostasis mecánica celular", que se presentará en Materiales avanzados , detalla cómo el equipo midió el estrés mecánico y las energías de las células y comparó los patrones de estrés con los de las células en pacientes con afecciones crónicas como la diabetes tipo II, lo que les permitió construir modelos predictivos para la diabetes y otras afecciones.
Para estudiar cómo las células se "remodelaron" a través de procesos mecánicos y relacionados con la energía en respuesta a estímulos externos, el equipo empleó una "pinza" desarrollada por Chen que utiliza pulsos de ultrasonido y "microburbujas" que se unen a la membrana celular y -- a medida que los pulsos perturban las burbujas - ejercen fuerzas mecánicas sobre las células. El equipo incrustó las células de prueba del músculo vascular en un sustrato que comprende micropilares elásticos de polidimetilsiloxano PDMS. Esta configuración les permitió cuantificar la fuerza y la energía celular durante la operación mediantemidiendo las desviaciones del sustrato micropilar; la microscopía fluorescente permitió al equipo monitorear visualmente cómo el estrés reorganizó el CSK, especialmente sus componentes actina y miosina que, como las fibras metálicas en un neumático radial con cinturón de acero, pueden volverse disfuncionales y deformarse bajo la fuerza.
Utilizando resultados experimentales, el equipo construyó un nuevo modelo biofísico de maquinaria celular impulsada por la energía para comprender la alostasis en las células. En este proceso, la energía celular no solo proporciona la potencia impulsora para la adaptación, sino también una retroalimentación negativa para ayudar a reestabilizar la célula.sistema.
"Un patrón de energía sesgado y una mala adaptación celular pueden indicar una transformación de una condición saludable en contextos patológicos, como diabetes, hipertensión o envejecimiento", dijo Chen.
Los investigadores probaron su modelo en cuatro presentaciones de tensión CSK, actina y miosina, y energía neta, antes, durante y después de la introducción en las células de agentes químicos que generan patrones celulares disfuncionales específicos que son fenotipos para la enfermedad: por ejemplo, interrupciónen estructuras de CSK de células tales como las fibras de actina puede dar lugar a un proceso de adaptación débil que puede revelar una condición patológica como la diabetes, mientras que la sobreactividad en la polimerización de actina en las células puede causar "excitación prolongada" o "hiporeactividad" sin un tiempo "inactivo"después de una perturbación en condiciones como la hipertensión.
"El balance de energía es un indicador de la salud", dijo Flamini. "La energía y la física están involucradas en los comportamientos celulares; la prueba de concepto es cómo el patrón de energía busca diferentes condiciones. Hemos demostrado que podemos predecir eso".
explicó: "La capacidad de lograr la estabilidad a través del cambio es una adaptación biológica crítica que permite a los organismos vivos estabilizar los cambios en el ambiente interno y externo", explicó. "Sin embargo, no está claro cómo sucede en una sola célula. Nuestra investigación abordó esta pregunta paraun sistema celular único en el que la energía juega un papel clave en el proceso "
Weiqiang agregado, "En colaboración con colegas de NYU Langone Health, el equipo se está enfocando en las enfermedades cardiovasculares porque están directamente relacionadas con el comportamiento mecánico de las células vasculares. En un aneurisma, por ejemplo, la inflamación afecta las proteínas que regulan la elasticidad vascularcélulas. Ahora estamos viendo la fuerza mecánica en el desarrollo de enfermedades como esta ".
Un próximo trabajo analizará el potencial de esta investigación para acelerar el diagnóstico de la enfermedad y la estadificación de la enfermedad en el aneurisma.
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Materiales proporcionado por NYU Tandon School of Engineering . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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