Mecánica celular

La mecánica de las células vegetales combina principios de biomecánica y mecanobiología para investigar el crecimiento y la formación de las células vegetales. Las células vegetales, al igual que las células animales, responden a fuerzas externas, como la reorganización de su red citoesquelética. Sin embargo, la presencia de una matriz extracelular considerablemente rígida , la pared celular , confiere a las células vegetales un conjunto de propiedades particulares. Principalmente, el crecimiento de las células vegetales está controlado por la mecánica y la composición química de la pared celular. ^{[ 3 ]} Gran parte de la investigación en mecánica de células vegetales se centra en la medición y el modelado de la mecánica de la pared celular para comprender cómo la modificación de su composición y propiedades mecánicas afecta la función, el crecimiento y la morfogénesis celular . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Debido a que las células animales ^{[ 6 ]} no tienen paredes celulares que las protejan como las células vegetales, requieren otras estructuras especializadas para soportar fuerzas mecánicas externas. Todas las células animales están encerradas dentro de una membrana celular hecha de una delgada bicapa lipídica que protege a la célula de la exposición al ambiente externo. Mediante receptores compuestos de estructuras proteicas, la membrana celular puede permitir el paso de moléculas específicas dentro de la célula. Dentro de la membrana celular se encuentra el citoplasma , que contiene el citoesqueleto. ^{[ 7 ]} Una red de proteínas filamentosas que incluye microtúbulos , filamentos intermedios y filamentos de actina constituye el citoesqueleto y ayuda a mantener la forma de la célula. Al trabajar juntos, los tres tipos de polímeros pueden organizarse para contrarrestar las fuerzas externas aplicadas y resistir la deformación. Sin embargo, existen diferencias entre los tres polímeros.

El componente estructural principal del citoesqueleto son los filamentos de actina. Siendo los más estrechos, con un diámetro de 7  nm, y los más flexibles de los tres tipos de polímeros , los filamentos de actina se encuentran típicamente en el borde del citoplasma en las células animales. ^{[ 1 ]} Formados por la unión de polímeros de una proteína llamada actina , ayudan a dar forma y estructura a las células y son capaces de transportar paquetes de proteínas y orgánulos. Además, los filamentos de actina tienen la capacidad de ensamblarse y desensamblarse rápidamente, lo que les permite participar en la movilidad celular. ^{[ 8 ]}

Por otro lado, los filamentos intermedios son estructuras más permanentes con un diámetro de 8 a 10  nm. ^{[ 9 ]} Compuestos por numerosas hebras de proteínas fibrosas enrolladas entre sí, la función principal de las proteínas intermedias es soportar la tensión y mantener la forma y la estructura de la célula al asegurar el núcleo y otros orgánulos en sus áreas designadas.

La estructura citoesquelética más grande de los tres tipos de polímeros son los microtúbulos, con un diámetro de 25  nm. ^{[ 8 ]} A diferencia de los filamentos de actina, los microtúbulos son estructuras rígidas y huecas que se irradian desde el centro organizador de microtúbulos (COMT). Compuestos por proteínas tubulina, los microtúbulos son estructuras dinámicas que les permiten contraerse o crecer con la adición o eliminación de proteínas tubulina. En términos de mecánica celular, la función principal de los microtúbulos es resistir las fuerzas de compresión celular y actuar como sistema de transporte para las proteínas motoras. ^{[ 8 ]}

Se demostró que la melanina también puede influir en las propiedades mecánicas de las células. La investigación realizada por el equipo de Sarna demostró que las células de melanoma altamente pigmentadas tienen un módulo de Young de aproximadamente 4,93, mientras que en las no pigmentadas era de solo 0,98. ^{[ 10 ]} En otro experimento, descubrieron que la elasticidad de las células de melanoma es importante para su metástasis y crecimiento: los tumores no pigmentados eran más grandes que los pigmentados y se diseminaban con mucha mayor facilidad. Demostraron que en los tumores de melanoma existen células pigmentadas y no pigmentadas , por lo que pueden ser resistentes a los fármacos y metastásicos. ^{[ 10 ]}

Las técnicas de aplicación de fuerza utilizan la respuesta de deformación de la célula a la fuerza aplicada sobre ella como una forma de medir las propiedades mecánicas de la célula. ^{[ 12 ]} Existen varios tipos diferentes de técnicas de aplicación de fuerza, entre las que se incluyen:

1. La aspiración con micropipeta utiliza la aplicación de presión de succión con una pipeta de vidrio de pequeño diámetro. La medición de la longitud de la aspiración causada por la presión de succión puede revelar varias propiedades mecánicas celulares. ^{[ 13 ]}
2. La manipulación mediante voladizos funciona a través de una interacción magnética, eléctrica o mecánica entre una sonda y la superficie de la célula que emite una señal que puede utilizarse para medir propiedades mecánicas. ^{[ 14 ]}
3. Las técnicas ópticas implican el uso de fotones atrapados para manipular células. Los fotones cambiarán de dirección según el índice de refracción de la célula, lo que provocará un cambio en el momento, generando una fuerza aplicada sobre la célula. ^{[ 12 ]}
4. Las técnicas mecánicas utilizan la incorporación de microesferas ferromagnéticas en la célula o unidas a receptores específicos en la misma. Al aplicar una fuerza magnética, se puede medir el estiramiento de la membrana para calcular las propiedades mecánicas. ^{[ 12 ]}
5. La deformación del sustrato mide la elasticidad mediante el estiramiento de la célula. La elasticidad de la célula proporciona información que puede determinar la motilidad y la adhesión. ^{[ 12 ] [ 15 ]}
6. La compresión requiere la aplicación de presión sobre toda la célula. Al calcular los cambios en la forma de la célula, la compresión es una forma de medir las respuestas mecánicas a la fuerza. ^{[ 12 ]}
7. La técnica de flujo utiliza el número de Reynolds , un número adimensional en mecánica de fluidos, para distinguir si la célula está sujeta a flujo laminar, transicional o turbulento. ^{[ 12 ]}
8. La espectroscopia de fuerza acústica se puede utilizar para extraer propiedades mecánicas de células individuales. ^{[ 16 ]}

1. Para arrugar las membranas, es necesario introducir la célula en una envoltura flexible de silicio. A medida que la célula se contrae, la magnitud de las fuerzas puede estimarse utilizando la longitud y el número de arrugas. ^{[ 12 ]}
2. La microscopía de fuerza de tracción ^{[ 17 ]} detecta deformaciones mediante la comparación de imágenes del movimiento de microesferas fluorescentes adheridas a la célula. ^{[ 18 ]} Un paquete de software fácil de usar está disponible para su descarga gratuita. Incluye tanto citometría de tracción por transformada rápida de Fourier como citometría de tracción por transformada de Fourier bayesiana sin parámetros. ^{[ 19 ]}
3. La detección mediante voladizos puede detectar tensiones superficiales con la fijación de vigas micromecánicas en un extremo de la célula. ^{[ 20 ]}
4. Los biorreactores permiten medir fuerzas multicelulares en un sistema tridimensional, mientras se aplican fuerzas externas simultáneamente. Esto posibilita mejores resultados y datos más precisos en experimentos complejos. ^{[ 12 ]}
5. Cuando las células adherentes son excitadas por ondas acústicas, comienzan a generar un flujo de microcorriente acústica. La magnitud de la velocidad de este flujo cerca de la membrana celular es directamente proporcional a la rigidez (es decir, al módulo de elasticidad) de la célula. ^{[ 21 ]}