En la papiroflexia, a partir de un papel elaboramos formas más o menos complejas siguiendo unas instrucciones para doblarlo y plegarlo. De una hoja plana obtenemos finalmente figuras en tres dimensiones. Esto mismo se ha hecho aplicado a tejidos vivos, concretamente células. Los tejidos biológicos tienen la capacidad de organizarse ellos mismos y cambiar de forma, impulsados por fuerzas que generan sus propias células. Uno de los retos de la bioingeniería actual es aprovechar ese comportamiento natural para diseñar materiales vivos sintéticos capaces de adoptar formas predeterminadas. Lo difícil es controlar el comportamiento del tejido y dirigir sus fuerzas para que adopte la forma deseada, pero ahora un estudio español ha desarrollado una estrategia para 'programar' esos tejidos vivos.

El trabajo, que se ha publicado en Science, ha sido desarrollado por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), la Universidad Politécnica de Cataluña-Barcelona Tech (UPC) y el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (Cimne), en colaboración con el European Molecular Biology Laboratory (EMBL) de Barcelona.

"Estamos demostrando que podemos diseñar la forma que adoptará un tejido vivo controlando únicamente cómo se orientan sus células", señala Xavier Trepat, profesor de investigación ICREA en el IBEC, líder del grupo de Dinámica Integrativa de Células y Tejidos, y colíder del estudio. Trepat pone el ejemplo de la papiroflexia para explicar algo profundamente complejo. Los investigadores aprovechan esta especie de 'origami biológico' para programar unas tensiones o fuerzas físicas que hacen que las células se plieguen para adoptar las formas que ellos quieren darles.

Trepat, que también es miembro del Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (Ciber-BBN), explica que la pregunta que intentaron entender era cómo se generan las formas en los tejidos biológicos. "Cuando miras por el microscopio nuestros órganos, ya sean los pulmones, los riñones o el intestino, no son tejidos planos o simples tubos, tienen muchísimos pliegues que son importantísimos para la función de esos tejidos. Por ejemplo, la superficie de nuestro intestino está plegada con lo que son las vellosidades, que es lo que nos permite absorber los nutrientes".

Es un tema que ha fascinado siempre a los científicos, que llevan décadas tratando de entender cómo se generan esas formas, indica Trepat. "En este estudio lo que hemos hecho es presentar una nueva manera en la cual podemos generar formas fuera del cuerpo. A partir de tejidos que inicialmente son planos y no tienen ninguna forma, los programamos para que adopten una forma tridimensional. El investigador detalla que desde que somos embriones pasamos de ser "una pequeña esfera a tener una forma muy determinada".

Trepat señala que la ciencia aún no entiende muy bien todos los mecanismos por los que nuestro cuerpo puede generar estas formas. "Nosotros, en lugar de mirar cómo se forman dentro de un animal esos tejidos curvados o plegados, los hemos generado en el laboratorio desde cero. Los hemos diseñado para entender cuáles son las leyes físicas que permiten que esos tejidos se formen y qué instrucciones físicas tenemos que darles para que adopten la forma que nosotros queremos que tengan", subraya.

Control de la orientación celular

La clave de su trabajo está en controlar muy bien cómo se orientan las células. "Muchas células de nuestro cuerpo son alargadas y esas células se orientan paralelas unas a las otras". Es lo que suele llamarse orden nemático, como las fibras de un hilo en un tejido textil o similar a cómo se orientan los píxeles de una pantalla de cristal líquido. También hay puntos donde se rompe ese orden nemático, llamados defectos topológicos, que son como las bifurcaciones o remolinos de las huellas dactilares (o el nacimiento del pelo en la coronilla). Esos puntos concentran fuerzas que influyen en cómo crecen, migran o se deforman los tejidos.

Para controlar esas fuerzas, los investigadores usaron el micropatronaje químico: dibujar sobre superficies planas unas líneas de una proteína a las que las células se adhieren, rodeadas de zonas con un polímero al que las células no se adhieren. O dicho de otra forma, crearon como si fuera un carril por el que ir obligatoriamente, una línea de flechas que seguir, por decirlo así, para establecer una orientación y orden concretos de las células. Al decidir ellos dónde poner esos defectos topológicos y, por tanto, dónde se generan esas fuerzas, es como pueden obtener las formas tridimensionales deseadas.

Las fuerzas generadas por las células están contenidas mientras permanecen adheridas a la superficie plana, pero al despegar el tejido la tensión acumulada se redistribuye. Trepat lo compara con la membrana de un tambor o batería. "Está tensionada y cuando la cortas en el caso del tambor se quedaría un tejido flácido porque el tambor no genera fuerzas activamente, las generas tú de forma externa tensándolo. Pero en las células, cada una es como un pequeño músculo capaz de generar fuerzas, por lo que al soltar ese tejido, y según las fuerzas que hemos prescrito nosotros al orientarlas de una forma concreta, se acaba doblando de una forma determinada", apunta.

Las formas generadas son sencillas, asegura Trepat, que añade que se han basado en principios físicos inevitables y teoremas geométricos del siglo XIX. Mediante modelos matemáticos desarrollados por la UPC y el Cimne, las células han adoptado forma, por ejemplo, "de bol como en el que nos tomamos los cereales, una taza o flores con pétalos, formas relativamente elementales porque lo que queremos demostrar es una prueba de principio, demostrar que se puede hacer algo para luego perfeccionarlo".

Aplicaciones en la vida real

Una vez se perfeccione, ¿cuál es la aplicación real y traducida de esta investigación? Para empezar, conseguir generar tejidos para medicina regenerativa. "Cuando tenemos una lesión o una enfermedad, a veces nuestros tejidos pierden la forma y con ello su función. En el ejemplo del intestino y sus vellosidades, esos pliegues permiten tener una superficie muy grande en el intestino para absorber nutrientes. A los celíacos lo que les pasa es que al comer gluten esa superficie se aplana y pierden superficie para absorber". Trepat explica que algunos animales son capaces de regenerar partes perdidas, como algunos lagartos. "Los humanos no podemos, si pierdes un dedo éste no vuelve a crecer y lo mismo con los órganos internos. Si se pierde su forma en algunas enfermedades no sabemos cómo recuperarla bien. Por eso es importante ser capaces de generar tejidos con formas predecibles para poder en su día instruir y ayudar al cuerpo a generar tejidos con la forma que nosotros queramos o bien generar tejidos fuera del cuerpo que quizás algún día puedan ser trasplantados a pacientes".

También hay aplicaciones relacionadas con la biología del desarrollo. Entender cómo se forman los tejidos en nuestro cuerpo es importante para el mismo desarrollo embrionario, indica Trepat, en el que hay muchas malformaciones que, si las entendemos, podrían abordarse a tiempo para que no se produjeran o incluso evitar la pérdida del feto. Y otra aplicación más avanzada que "suena un poco a ciencia ficción", recalca Trepat, pero que es una línea de investigación -junto a la medicina regenerativa- en la que van a trabajar en el laboratorio, es la robótica biohíbrida. "La idea es hacer robots que no tengan solo los componentes que tienen actualmente, sino que incorporen también tejidos vivos, de manera que sean híbridos, vivos e inertes, para hacerlos más funcionales".

No piensen en una especie de Robocop. Trepat explica que hay funciones que los robots no pueden hacer bien, por ejemplo, coger algo muy blando. "Son muy rígidos, por lo que agarrar un tejido blando o un objeto blando es muy difícil. Los tejidos vivos son muy blandos y maleables, son capaces de ser más flexibles". Aunque deja claro que no sería "un Frankenstein al que le ponemos una mano tal cual. Sería algo que le permitiera agarrar, pero sería diseñar una solución que quizás puede que incluso no exista en la naturaleza. No se trata solo de replicar lo que ésta ha evolucionado a lo largo de millones de años, sino de pensar nosotros tipos de aplicación que no han evolucionado".