‘Autora: B. González Bermúdez’

Las células estrenan “modelito”

Por Blanca González Bermúdez (Universidad Politécnica de Madrid)

Cuando se habla de la célula, de su estructura, funciones, interacciones o posibles patologías, se mantiene muchas veces un enfoque bioquímico: el gen X codifica una proteína que regula el gen Y, el cual, a su vez, codifica la proteína Z, y así sucesivamente. Es natural que esto ocurra, ya que la biología celular se ha basado en principios bioquímicos -moleculares y genéticos-, para explicar el funcionamiento de las células. Pero, como siempre, la naturaleza hace las cosas un poco más complicadas.

El caso es que desde los años 70 sabemos que una buena parte de los procesos celulares están relacionados también con el comportamiento mecánico de las células. Por ejemplo, los glóbulos blancos se activan y se vuelven más deformables cuando detectan una infección. Ciertas enfermedades, como la malaria, provocan un aumento en la rigidez de los glóbulos rojos, y se ha observado que las células cancerosas se vuelven más flexibles, y por ello migran con mayor facilidad, que las células sanas. Aún más, las células son capaces de detectar la rigidez y las fuerzas mecánicas de su entorno. Una misma célula madre, por ejemplo, se puede diferenciar en una neurona o en un miocito cambiando simplemente la rigidez del sustrato.

En definitiva, se ha podido constatar que las propiedades mecánicas de las células pueden emplearse como biomarcadores del estado celular. Partiendo de esta idea, se han desarrollado en las últimas décadas varias técnicas experimentales para estudiar el comportamiento mecánico de la célula y las fuerzas que ejerce sobre su entorno: la microscopía de fuerza atómica, la aspiración con micropipeta, la citometría óptica y magnética, o la microscopía de fuerzas de tracción, entre otras.

En el laboratorio de Biomateriales (CTB-UPM), hemos puesto a punto la técnica de aspiración con micropipeta, que nos ha servido para comparar las propiedades mecánicas de células en distintas condiciones. Con este procedimiento podemos aspirar las células en suspensión mediante un microcapilar de vidrio, aplicando una diferencia de presión entre el interior del microcapilar y la muestra de células. Las imágenes del ensayo de aspiración se procesan automáticamente en un ordenador y obtenemos así la longitud aspirada de la célula en el interior del microcapilar en cada instante.

Pero nos quedaba una barrera pendiente: ¿qué modelo mecánico emplear en nuestros experimentos? En una célula hay diferentes orgánulos contenidos en el citoplasma, conectados entre sí por un entramado muy complejo, que apenas ahora estamos cartografiando con detalle. Esto ha supuesto que se hayan generado múltiples modelos mecánicos de la célula, si bien el desarrollo de un modelo que describa de manera integral el complejo comportamiento de las células sigue suponiendo un desafío en la actualidad. Para la técnica de aspiración con micropipeta, hay modelos que asumen que la célula se comporta como un sólido elástico lineal incompresible en pequeñas deformaciones, y que permiten calcular el módulo elástico de la célula en función de la presión y longitud aspirada en la micropipeta.  También existen modelos para grandes deformaciones, que analizan la viscosidad aparente de las células asumiendo un comportamiento de fluido viscoso Newtoniano. Sin embargo, nos resulta curioso que los modelos más empleados para la aspiración de células con micropipeta no tengan en cuenta el tamaño finito de las células ni el contacto con la micropipeta. Además, asumen que las células son imcompresibles, es decir, que tienen un coeficiente de Poisson de 0,5.

Figura 1. Simulación numérica de la aspiración de células con micropipeta.

Con la intención de proponer una mejora en los modelos existentes para la aspiración de células con micropipeta, hemos desarrollado una metodología que permite calcular el módulo elástico y el coeficiente de Poisson de la célula aspirada. En este modelo numérico axisimétrico, de elementos finitos, consideramos el contacto de la célula con la micropipeta, mediante un radio de acuerdo, y hemos hallado una relación no lineal de la longitud aspirada de la célula con respecto a la presión de aspiración (figura1). También hemos comprobado que, empleando este modelo en ensayos de linfocitos, los valores del módulo elástico y coeficiente de Poisson que obtenemos son razonables para este tipo de células.

Los siguientes pasos de nuestra hoja de ruta van dirigidos a lograr automatizar aún más la técnica de aspiración de células con micropipeta, con el fin de aumentar el número de células analizadas por hora, de forma que un futuro pudiera aplicarse este modelo de trabajo al estudio de la deformabilidad de linfocitos T como biomarcador de la edad y funcionalidad.  Pero eso es otro cantar.

Mientras llega ese momento, podemos al menos afirmar que las células ya pueden lucir “modelito” nuevo esta temporada.

Referencias:

  •  Rosowski K. Introduction to Cell Mechanics and Mechanobiology. The Yale Journal of Biology and Medicine. 2013;86(3):436-437.
  •  Worthen, G. S., Schwab, B. I. I. I., Elson, E. L., & Downey, G. P. (1989). Mechanics of stimulated neutrophils: cell stiffening induces retention in capillaries. Science, 245(4914), 183-186.
  •  Suresh, S., Spatz, J., Mills, J. P., Micoulet, A., Dao, M., Lim, C. T., … & Seufferlein, T. (2015). Reprint of: connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria. Acta biomaterialia, 23, S3-S15.
  •  Suresh, S. (2007). Biomechanics and biophysics of cancer cells. Acta Materialia, 55(12), 3989-4014.
  •  Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., & Discher, D. E. (2006). Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell, 126(4), 677-689.
  •  Di Carlo, D. (2012). A mechanical biomarker of cell state in medicine. Journal of Laboratory Automation, 17(1), 32-42.
  •  Bao, G., & Suresh, S. (2003). Cell and molecular mechanics of biological materials. Nature materials, 2(11), 715-725.
  •  Plaza, G. R., Marí, N., Gálvez, B. G., Bernal, A., Guinea, G. V., Daza, R., … & Elices, M. (2014). Simple measurement of the apparent viscosity of a cell from only one picture: Application to cardiac stem cells. Physical Review E, 90(5), 052715.
  •  Hochmuth, R. M. (2000). Micropipette aspiration of living cells. Journal of biomechanics, 33(1), 15-22.
  •  Esteban-Manzanares, G., González-Bermúdez, B., Cruces, J., De la Fuente, M., Li, Q., Guinea, G. V., … & Plaza, G. R. (2017). Improved Measurement of Elastic Properties of Cells by Micropipette Aspiration and Its Application to Lymphocytes. Annals of biomedical engineering, 45(5), 1375-1385.
  •  Inner life of the cell: https://www.youtube.com/watch?v=FzcTgrxMzZk

 

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Metamateriales: ¿cerca de la invisibilidad?

Por Blanca González Bermúdez  (alumna de segundo curso del Grado en Ingeniería de Materiales por la UPM)

En Marzo de 2012 Àlvar Sánchez (UAB), escribió estas palabras al desarrollar un cilindro indetectable ante campos magnéticos: “La invisibilidad era ciencia ficción, pero desde hace una década ha pasado a formar parte del ámbito de la ciencia”. Aquella confesión espontánea era un reflejo de la continuada lucha por el desarrollo de los metamateriales. Pero, ¿qué diferencia a estos materiales?

Definición y naturaleza de los metamateriales

Hoy en día se habla y se escribe mucho sobre los avances en el campo de los nanotecnología, que, sin duda alguna, parecen desafiar las leyes y propiedades tangibles y naturales a nuestro intelecto. La pregunta que se plantea en el título del artículo carece de sentido si uno no acude a la figura de los metamateriales. Es preciso, para entenderlos, curiosidad y voluntad en el lector. Es pertinente, además, conocer los antecedentes. Porque cualquier material es, de alguna forma, una culminación, el eslabón final de un largo proceso de investigación. En este artículo se pretende describir el paso de la teoría a la práctica, en síntesis, la auténtica obra que realiza un innovador.

En Ciencia de Materiales el lenguaje resulta de gran eficacia para explicar de un modo imborrable algunas ideas fundamentales. El término “metamaterial” significa, en sentido amplio, aquel que va más allá (metá) del simple material, término que alude al extraordinario comportamiento de estos materiales frente a los demás. Un metamaterial se describe de forma más precisa como “una disposición artificial de elementos estructurales, diseñada para conseguir propiedades electromagnéticas ventajosas e insólitas no presentes en la naturaleza”.

Los investigadores en metamateriales, autores de ésta nueva disciplina, diseñan su estructura interna de tal forma que tengan propiedades no presentes en los materiales naturales. Además se han impuesto en su investigación las siguientes exigencias para los metamateriales:

- Un índice de refracción n negativo, esto es, que presente simultáneamente una permitividad eléctrica (ε) y una permeabilidad magnética (μ) negativas, algo que no aparece en la naturaleza.  Así, en un metamaterial, las ondas electromagnéticas que incidan sobre él se desviarán hacia el lado opuesto de la perpendicular a la superficie normal que separa los medios. Por este motivo se les denomina también “materiales zurdos”. Para dar una idea más gráfica del comportamiento de un “material zurdo”, se podría decir que si el agua tuviese un índice de refracción negativo, un pez que estuviese nadando parecería estar haciéndolo en el aire, por encima de la superficie del agua.

- Un comportamiento homogéneo  que permita que el metamaterial tenga igual comportamiento en todo su volumen. El índice de refracción depende de las dimensiones de los componentes del material, por lo que un índice negativo homogéneo significa que la dimensión máxima de los componentes tiene que ser menor de la longitud de onda incidente.  A modo de ejemplo, las longitudes de onda del espectro visible van de 400 a 750 nanómetros y el infrarrojo de 750 nanómetros hasta 1 milímetro, lo que supone que los componentes básicos de la celda unidad de los materiales deben tener un  tamaño del orden de nanómetros (para luz visible) a varias micras (para radiación infrarroja). Como se intuye enseguida, el principal obstáculo de los investigadores de metamateriales reside, sobre todo, en el proceso de fabricación de los mismos.

En la imagen izquierda y central se ilustra el comportamiento habitual de un material en presencia de un campo magnético, el cilindro altera el campo magnético. A la derecha, se muestra el comportamiento de un cilindro de metamaterial, el nuevo diseño es totalmente invisible al campo magnético (las líneas verticales se mantienen totalmente inalteradas con la presencia del cilindro). Imagen: A. Sánchez et al.

Efectos de los metamateriales

Los efectos que exhibe todo metamaterial como consecuencia de las propiedades mencionadas al interaccionar con ondas de naturaleza electromagnética (o con ondas elásticas en el caso de metamateriales diseñados para aplicaciones acústicas) son cinco:

1º Inversión del efecto Doppler.  Un metamaterial cambia el efecto Doppler que experimentaría un observador con respecto a una fuente que emita ondas y se aproxime o aleje del mismo.
2º Inversión del efecto Cherenkov. El efecto Cherenkov consiste en que cuando un partícula cargada cruza un aislante a una velocidad más grande que la correspondiente a la velocidad de la luz en dicho medio, emite radiación electromagnética en una determinada dirección. El uso de metamateriales invierte el ángulo de emisión y la radiación Cherenkov viaja hacia atrás.
3º Inversión del efecto Goos-Hänchen. Cuando una onda electromagnética incide en una interfase plana que separa dos medios, puede producirse la reflexión total de la onda. Cuando se trata de un metamaterial, se revela un desplazamiento de la reflexión invertido respecto a materiales convencionales.
4º Refracción negativa: ley de Snell inversa. Un metamaterial modifica la ley de Snell de refracción como resultado de una permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativas.
5º Difracción sub-longitud de onda. Es capaz de amplificar la información contenida en las ondas evanescentes que se pierden por el uso de lentes convencionales según el límite de difracción de Abbe.

Aplicaciones de los metamateriales y tendencias

Con las notas desarrolladas sobre las propiedades y efectos de los metamateriales el lector podrá imaginar el posible impacto futuro que podrían tener en el sector industrial (incluyendo aplicaciones médicas y de defensa militar). En la actualidad se trabaja en dos áreas fundamentalmente:

- Encubrimiento e invisibilidad
Invisibilidad electromagnética, invisibilidad acústica y reducción de firma.

- Superresolución, en busca de la lente perfecta
Aplicaciones de la lente electromagnética y aplicaciones de la superresolución acústica.

Para ampliar la información se recomienda la lectura de “Los materiales y sus aplicaciones en defensa”, trabajo disponible en la página web del Ministerio de Defensa. Un vídeo explicativo se puede encontrar en el artículo publicado en el diario El Mundo: “La capa invisible de Harry Potter ‘made in Spain“.

Y al fin, la pregunta clave: ¿estamos cerca de la invisibilidad? Quizás mañana contemos con prototipos perfeccionados, pero hace falta mejorar los sistemas de fabricación actuales. Sin ninguna duda, los resultados de las investigaciones indican la certeza de estar en el camino correcto para llegar a ése mañana.

El estudiante que hace de la Ciencia e Ingeniería de Materiales su vocación, está seguro de que no se descansa en esta disciplina. Los metamateriales llegan para repostarnos de fuerzas con las que seguir aspirando a un progreso tecnológico al servicio de las necesidades de la sociedad. ¿Cabe mayor recompensa?

Enlaces de interés

- Avances sobre recubrimientos de invisibilidad, en www.ingenieros.es.
- La invisibilidad a los campos magnéticos ya es una realidad, en www.tendencias21.net.
- Los metamateriales y sus aplicaciones en defensa en www.portalcultura.mde.es.

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