En esta entrevista, la Dra. Marina Danalache, líder de laboratorio en el Laboratorio de Biología Celular, Departamento de Cirugía Ortopédica, Universidad de Tübingen, habla con News-Medical Life Sciences sobre la investigación en curso sobre los efectos de las fuerzas mecánicas en las células y tejidos musculoesqueléticos. así como también cómo estas fuerzas median en la homeostasis e impulsan los procesos fisiopatológicos.
Siendo un millennial que ama la tecnología y está fascinado por su uso en casi todos los aspectos de la vida, obtuve una licenciatura y una maestría en ingeniería biomédica. En mi búsqueda por descubrir cosas nuevas y desarrollar nuevas habilidades, cambié de la industria a la academia y obtuve un doctorado. en Medicina Experimental de la Universidad de Tübingen, Alemania. “La innovación es la clave del futuro, pero la investigación básica es la clave de la innovación futura”- Jerome Isaac Friedman, premio Nobel emérito de 1990. Estas palabras fueron la principal fuerza impulsora al comienzo de mi viaje de investigación y aún lo son, permaneciendo profundamente grabadas en mi mente, ya que empleé la microscopía de fuerza atómica (AFM) como un medio para examinar la relación estructura-función del cartílago articular.
Actualmente, soy el líder de laboratorio del Laboratorio de Biología Celular, Departamento de Cirugía Ortopédica, Universidad de Tübingen. Nuestra investigación se centra en los efectos de las fuerzas mecánicas en las células y los tejidos musculoesqueléticos (es decir, el cartílago articular y el hueso), así como en cómo estas fuerzas median en la homeostasis e impulsan los procesos fisiopatológicos. También nos interesa cómo modular estas fuerzas y el impacto que tienen a nivel celular y molecular, con la meta optimista de algún día poder prevenir, detener y por qué no, incluso tratar las enfermedades degenerativas del cartílago, que son extremadamente comunes. en una sociedad que envejece.
¡Sí definitivamente! En un panorama clínico en el que la heterogeneidad de la enfermedad y la variabilidad entre pacientes limitan el diagnóstico, el pronóstico y el resultado del tratamiento, los biomarcadores específicos, una combinación de características biológicas cuantificables que se pueden medir con precisión, rapidez y reproducibilidad, son muy buscados. La rigidez en particular es uno de esos ejemplos de un biomarcador sin etiquetas. La principal ventaja de evaluar propiedades mecánicas como la rigidez es que tiene un impacto directo en la funcionalidad del tejido. Esto no solo es importante para los tejidos que soportan carga, como el cartílago articular y el hueso, que pueden soportar enormes cantidades de fuerzas intensivas y repetitivas durante la vida, sino que también desempeña un papel en otras patologías.
Sin duda, existe un enorme potencial, no solo para el diagnóstico y la terapia, sino también para el campo emergente de la medicina regenerativa, donde es bien sabido que la rigidez de las construcciones artificiales es fundamental para regular el comportamiento celular y el potencial regenerativo inherente.
Utilizamos macro-indentadores (probadores de tracción utilizados para determinar la resistencia a la tracción), así como métodos más refinados como la rejilla de Bragg de fibra y AFM para investigar las propiedades mecánicas de nuestras muestras. En la mayoría de nuestros proyectos de investigación, la magnitud y la naturaleza de las cepas a las que responden localmente las células dentro del tejido se investigaron principalmente utilizando AFM tanto a nanoescala como a microescala.
A medida que los esfuerzos de investigación profundizan en los mecanismos que subyacen a los trastornos degenerativos difíciles de tratar, como la osteoartritis, en busca de nuevas pistas a lo largo de caminos trillados, reabren la caja de Pandora de los mecanismos de desarrollo: enfoques unicelulares. Con este fin, AFM definitivamente se ha convertido en una herramienta popular para la caracterización de muestras/materiales, que complementa la microscopía óptica y electrónica. Puede generar instantáneas altamente localizadas de propiedades mecánicas con resoluciones hasta los componentes celulares y subcelulares (nanómetros y más). En pocas palabras, AFM es capaz de detectar lo invisible. En un contexto en el que las células/microambientes "diseñados mecánicamente" y los andamios "mecanoactivos" son lo "nuevo" para la ingeniería de tejidos, AFM actúa como un mecanopen, permitiendo la evaluación controlada y el descifrado de patrones mecanobiológicos. De hecho, debido a la alta sensibilidad y resolución del AFM, así como a su capacidad para evaluar los cambios de rigidez de la enfermedad en una etapa temprana, me atrevería a decir que podría usarse potencialmente en unentorno clínico in vivo si se resolvieron algunos problemas técnicos como el manejo del dispositivo, la forma, la sensibilidad a la temperatura, etc.
De todos los órganos y tejidos, el sistema musculoesquelético está particularmente expuesto a fuerzas biomecánicas constantes. Una mejor comprensión de la mecanobiología de estas unidades funcionales también significa poder abordar mejor las patologías asociadas. Más allá de mejorar nuestra comprensión de los procesos que tienen lugar, también nos permite diseñar nuevos enfoques de tratamiento que incorporen este conocimiento en su diseño. Para dar un ejemplo simple, las matrices biomiméticas artificiales que se van a implantar en los defectos del cartílago para ayudar en el proceso de reparación del nuevo cartílago ahora se pueden producir con objetivos biomecánicos específicos en mente. Por lo tanto, tales matrices pueden imitar mejor la arquitectura del cartílago original y ayudar en la diferenciación de las células madre mesenquimales en condrocitos sanos.
Dependiendo de las características del penetrador y de la muestra/material analizado, se utilizan varios modelos físicos para analizar los datos adquiridos de las muestras biológicas. En el caso de AFM, los diversos algoritmos adaptados al Modelo Hertziano (por ejemplo, Hertz-fit clásico, modelo de Sneddon, modelo de Rico, etc.) son los modelos más establecidos y ampliamente utilizados.
Como se mencionó, las terapias regenerativas en el campo musculoesquelético probablemente se beneficiarán de nuestra comprensión más profunda de las propiedades biomecánicas precisas de tejidos como el cartílago, el hueso y los tendones. Para una reparación adecuada, todos estos tejidos dependen del crecimiento interno de células madre que se diferencian en células especializadas de funcionamiento regular. Numerosos parámetros pueden influir en este proceso, y un entorno biomecánico inadecuado casi con seguridad impedirá una diferenciación de línea favorable, lo que perjudicará el potencial de regeneración de estas células. El ajuste de las propiedades biomecánicas de los aumentos de matriz o los injertos adjuntos a la situación fisiológica mejora el rendimiento de estas terapias. No todo es biomecánica, sin embargo, sin una comprensión profunda de la biomecánica, nada funciona correctamente.
De todos los órganos y tejidos, el sistema musculoesquelético está particularmente expuesto a fuerzas biomecánicas constantes. Una mejor comprensión de la mecanobiología de estas unidades funcionales también significa poder abordar mejor las patologías asociadas. Más allá de mejorar nuestra comprensión de los procesos que tienen lugar, también nos permite diseñar nuevos enfoques de tratamiento que incorporen este conocimiento en su diseño. Para dar un ejemplo simple, las matrices biomiméticas artificiales que se van a implantar en los defectos del cartílago para ayudar en el proceso de reparación del nuevo cartílago ahora se pueden producir con objetivos biomecánicos específicos en mente. Por lo tanto, tales matrices pueden imitar mejor la arquitectura del cartílago original y ayudar en la diferenciación de las células madre mesenquimales en condrocitos sanos.
Dependiendo de las características del penetrador y de la muestra/material analizado, se utilizan varios modelos físicos para analizar los datos adquiridos de las muestras biológicas. En el caso de AFM, los diversos algoritmos adaptados al Modelo Hertziano (por ejemplo, Hertz-fit clásico, modelo de Sneddon, modelo de Rico, etc.) son los modelos más establecidos y ampliamente utilizados.
Como se mencionó, las terapias regenerativas en el campo musculoesquelético probablemente se beneficiarán de nuestra comprensión más profunda de las propiedades biomecánicas precisas de tejidos como el cartílago, el hueso y los tendones. Para una reparación adecuada, todos estos tejidos dependen del crecimiento interno de células madre que se diferencian en células especializadas de funcionamiento regular. Numerosos parámetros pueden influir en este proceso, y un entorno biomecánico inadecuado casi con seguridad impedirá una diferenciación de línea favorable, lo que perjudicará el potencial de regeneración de estas células. El ajuste de las propiedades biomecánicas de los aumentos de matriz o los injertos adjuntos a la situación fisiológica mejora el rendimiento de estas terapias. No todo es biomecánica, sin embargo, sin una comprensión profunda de la biomecánica, nada funciona correctamente.
Uno de los principales retos en nuestro campo de investigación como en cualquier otro es materializar e implementar la idea en la práctica. Aunque el desarrollo de procedimientos de investigación experimental y la implementación de diseños de proyectos parecen ser experimentos simples y directos, los pasos involucrados son mucho más complejos de lo que cabría esperar. Dependiendo de la configuración experimental para las pruebas mecánicas, parámetros como la selección del penetrador apropiado (es decir, voladizo AFM), la preparación y fijación de la muestra para las mediciones, asegurando una interacción óptima entre la muestra y el penetrador (especialmente para muestras biológicas con superficies irregulares) , y seleccionar el modelo más adecuado para el análisis de datos son aspectos cruciales para las mediciones de AFM. Una vez que todo está configurado, funciona sin problemas y se pueden realizar mediciones automatizadas.
Debido a que la ortopedia es un campo de nicho que no recibe tanta atención como, por ejemplo, la oncología, los estudios más amplios o las innovaciones son un desafío, lo que convierte a quienes trabajan en el campo en pioneros en un área de investigación limitada. Esto también se refleja en las opciones de financiación relativamente limitadas. Al mismo tiempo, trabajar en un entorno así es emocionante y hace que el trabajo de uno sea más desafiante de una manera positiva, como si estuviera descubriendo cosas nuevas y marcando la diferencia en el campo.
Trabajar en la proximidad de un entorno clínico tiene muchas ventajas. En primer lugar, obtener los tejidos necesarios para nuestros experimentos no suele ser un problema, y muchas mediciones se pueden realizar directamente en muestras humanas sin necesidad de tejido animal. En segundo lugar, el intercambio de ideas y conceptos con personas que tratan esas condiciones sobre las que otros investigadores solo leen, realmente amplía el horizonte y, a menudo, puede ayudar a desarrollar ideas realmente interesantes. A veces es sorprendente ver qué técnicas ya están en uso clínico cuando uno pensaría que todavía están en etapa experimental, y viceversa.
En las últimas dos décadas, nuestra comprensión de la biología del cartílago ha evolucionado de manera espectacular. Ahora reconocemos el potencial regenerativo de este tejido, así como sus limitaciones. Tal comprensión es fundamental para las estrategias preventivas, como instruir a los entrenadores o empleadores sobre las condiciones adecuadas para la salud a largo plazo en la población activa. En el campo de la cirugía traumatológica, también hemos visto una gran revolución en términos de requisitos de curación de huesos fracturados. La necesidad de un micromovimiento limitado en el sitio de una fractura ahora se satisface a través de la generación más reciente de materiales de osteosíntesis, en particular placas de ángulo estable para fijación interna. Entonces, como puede ver, comprender la biomecánica tanto a nivel celular como tisular sigue siendo un área de estudio muy impactante y actualizada.
La Dra. Marina Danalache tiene una Licenciatura en Ciencias (BSc.) en Ingeniería Médica de la Universidad de Medicina y Farmacia, Lasi, Rumania y una Maestría en Ciencias (MSc.) en Ingeniería Médica de la Universidad de Furtwangen, Alemania. Completó su doctorado en Medicina Experimental en la Clínica Ortopédica del Hospital Universitario de Tübingen y luego realizó un Postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Biología Celular Ortopédica en la Clínica Ortopédica del Hospital Universitario de Tübingen, Alemania.
Traducción: Cecilia González P.
Publicado: 24 de noviembre de 2022
Fuente: News Medical
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