Investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) ) i el Centre Internacional de Mètodes Numèrics a l’Enginyeria (CIMNE) han desenvolupat una nova estratègia per “programar” la forma de teixits biològics in vitro. El treball, publicat a la revista Science, demostra per primera vegada que és possible guiar les forces i forma final d’un teixit viu controlant l’orientació de les seves cèl·lules. La recerca obre la porta a noves aplicacions en enginyeria de teixits, robòtica biohíbrida i el disseny de materials vius intel·ligents.
Els teixits biològics tenen una sorprenent capacitat per organitzar-se per si mateixos i canviar de forma, un procés impulsat per les forces que generen les seves pròpies cèl·lules. Aprofitar aquest comportament natural per dissenyar materials vius sintètics capaços d’adoptar formes predeterminades és actualment un dels grans reptes de la bioenginyeria. No obstant això, controlar amb precisió com es comporta un teixit i dirigir les seves forces internes perquè adopti exactament la forma desitjada, continua sent un desafiament important per a la ciència.
Estem demostrant que podem dissenyar la forma que adoptarà un teixit viu controlant únicament com s’orienten les seves cèl·lules.
Xavier Trepat
Ara, un estudi liderat per Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) i el Centre Internacional de Mètodes Numèrics a l’Enginyeria (CIMNE), en col·laboració amb el European Molecular Biology Laboratory (EMBL) de Barcelona, presenta una nova estratègia per “programar” aquests canvis de forma, controlant, mitjançant patrons químics, com s’orienten les cèl·lules dins del teixit.
El resultat són teixits vius capaços de deformar-se de forma controlada per generar estructures tridimensionals reproduïbles. Per a Xavier Trepat, professor de recerca ICREA a l’IBEC, líder del grup de Dinàmica Integrativa de Cèl·lules i Teixits i colíder de l’estudi, això és particularment rellevant:
“Estem demostrant que podem dissenyar la forma que adoptarà un teixit viu controlant únicament com s’orienten les seves cèl·lules”, destaca l’investigador, qui també és professor a la Universitat de Barcelona (UB) i membre del Centre de Recerca Biomèdica en Xarxa en Bioenginyeria, Biomaterials i Nanomedicina (CIBER-BBN).
Els científics plantegen els objectius de l’estudi com una via per dissenyar superfícies vives que canvien de forma per si mateixes, amb potencials aplicacions que van des de l’enginyeria de teixits fins a la robòtica biohíbrida.
Cèl·lules que s’alineen i donen forma a teixits
Els teixits biològics formats per cèl·lules allargades tendeixen a autoorganitzar-se generant dominis multicel·lulars on totes les cèl·lules s’orienten en la mateixa direcció, com les fibres d’un fil en un teixit tèxtil. Aquest és l’anomenat ordre nemàtic.
En ocasions, l’ordre nemàtic es trenca en punts concrets, anomenats defectes topològics. Es tracta de zones localment desordenades, comparables als remolins o bifurcacions que apareixen en una empremta dactilar. En biologia, aquests defectes actuen com a punts de concentració de forces, capaços d’influir en com creixen, migren o fins i tot es deformen els teixits.
“L’orientació de les cèl·lules controla les forces, i les forces poden controlar la generació d’una forma en tres dimensions”, explica Pau Guillamat, investigador en el grup de Dinàmica Integrativa de Cèl·lules i Teixits de l’IBEC, i primer autor de l’estudi.
Per guiar aquestes forces, l’equip va utilitzar el micropatronatge químic: “van dibuixar” sobre superfícies planes unes línies d’una proteïna a la qual les cèl·lules s’adhereixen, envoltades de zones amb un polímer al qual les cèl·lules no s’hi adhereixen. Gràcies a aquests patrons, les cèl·lules s’alineen seguint les línies, creant el “mapa” d’orientacions desitjat.
Això va permetre imposar defectes topològics en posicions exactes, una cosa que la natura genera de forma espontània, però desordenada. “La clau és que podem decidir on estaran aquests defectes i, per tant, on es generaran les forces dins del teixit”, comenta Guillamat.
L’experiment crucial va arribar quan els investigadors van desenganxar el teixit del substrat on creixien les cèl·lules. Mentre romania adherit, les forces internes generades per les cèl·lules quedaven ancorades al suport i impedien que el teixit canviés de forma. Però en eliminar aquesta restricció mecànica, la tensió acumulada va poder redistribuir-se lliurement.
“És com una làmina elàstica tensada i fixada per les vores: mentre està subjecta no es deforma, però en alliberar-la adopta una nova geometria determinada per les tensions internes“, explica Guillamat.
Això mateix passa amb el teixit cel·lular: en desenganxar-lo, es contreu i deforma ràpidament, i ho fa seguint les direccions de tensió creades per l’orientació de les cèl·lules i pels defectes topològics.
Simulacions que prediuen la forma final
Per aprofundir en l’origen de les forces i formes dels teixits, així com per poder predir-les, l’equip de Marino Arroyo, catedràtic del Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental de la UPC, líder del grup Interfícies de materials tous i vius del CIMNE i colíder de l’estudi, va desenvolupar models teòrics i simulacions que permeten anticipar com un patró concret d’orientacions cel·lulars acabaria transformant-se en una forma tridimensional específica.
Segons Arroyo, “els nostres models ens han permès examinar diferents hipòtesis i finalment identificar el mecanisme pel qual l’orientació de les cèl·lules condueix al plegat tridimensional dels teixits. A més, proporcionen una relació quantitativa entre patró nemàtic i forma“, la qual cosa confirma que el sistema pot utilitzar-se com una plataforma predictiva de disseny morfològic de teixits.
Un ventall d’aplicacions
Podem pensar en aquests sistemes com a materials vius que no només generen forces i formes programables, sinó que podrien integrar informació i respondre de manera intel·ligent.
Pau Guillamat
Aquesta recerca és una prova de concepte, però obre la porta a moltes aplicacions, com l‘enginyeria de teixits, per crear estructures tridimensionals sense necessitat de bastides artificials; la robòtica biohíbrida, que podria usar teixits vius deformables com actuadors biològics; o el disseny de materials vius intel·ligents, superfícies vives capaces de reconfigurar la seva forma i, potencialment, les seves propietats funcionals.
“Podem pensar en aquests sistemes com a materials vius que no només generen forces i formes programables, sinó que podrien integrar informació i respondre de manera intel·ligent”, afegeix Guillamat.
A més de les seves possibles aplicacions, aquesta metodologia permet estudiar fenòmens presents en biologia real, com la formació d’òrgans o el comportament d’alguns tumors. “És una eina perfecta per entendre com els patrons d’orientació cel·lular influeixen en la mecànica i evolució de teixits complexos”, afirma Trepat.
L’estudi també ha comptat amb la col·laboració del grup de Mecanobiologia Cel·lular i Molecular de l’IBEC, liderat per Pere Roca-Cusachs, qui també és professor catedràtic de la Facultat de Medicina i Ciències de la Salut de la Universitat de Barcelona (UB).
Article de referència
Pau Guillamat, Waleed Mirza, Pradeep K. Bal, Manuel Gómez-González, Pere Roca-Cusachs, Marino Arroyo, Xavier Trepat.Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces. Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz9174
