O microrrobô magnético pode medir a rigidez e a tração das células

Os cientistas desenvolveram uma pequena sonda mecânica que pode medir a rigidez inerente das células e tecidos, bem como as forças internas que as células geram e exercem umas sobre as outras. Seu novo “microrrobô magnético” é a primeira sonda capaz de quantificar ambas as propriedades, relatam os pesquisadores, e ajudará na compreensão dos processos celulares associados ao desenvolvimento e à doença.

Eles detalham suas descobertas no diário Ciência Robótica.

“Células vivas geram forças por meio de interações de proteínas, e é muito difícil medir essas forças”, disse Ning Wang, professor de ciência mecânica e engenharia da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, que liderou a pesquisa. “A maioria das sondas pode medir as forças geradas ativamente pelos próprios tecidos e células, uma característica que chamamos de tração, ou podem medir sua rigidez – mas não ambas”.

Para medir a rigidez celular, os pesquisadores precisam de uma sonda relativamente rígida que possa comprimir, esticar ou torcer os tecidos e quantificar a robustez com que resistem. Mas, para medir as próprias contrações ou expansões geradas internamente pelas células, uma sonda deve ser relativamente macia e flexível.

Como outros cientistas, Wang e seus colegas já haviam desenvolvido sondas para medir cada uma dessas qualidades individualmente. Mas ele disse que queria desenvolver uma sonda mais universal que pudesse lidar com ambos ao mesmo tempo. Tal sonda permitiria entender melhor como essas propriedades influenciam doenças como arteriosclerose ou câncer, ou como um embrião se desenvolve, por exemplo.

Para enfrentar esse desafio, Wang e o aluno de pós-graduação Erfan Mohagheghian procuraram maneiras de alterar as características mecânicas de uma sonda depois de injetá-la no tecido de interesse. Eles usaram hidrogéis feitos de polietileno glicol, um material já aprovado para uso em seres humanos.

Para o novo estudo, a equipe desenvolveu um método preciso para incorporar um “microcross” magnético em um hidrogel PEG rígido. A coautora do estudo, Kristi Anseth, professora de engenharia química e biológica da Universidade do Colorado, em Boulder, já havia desenvolvido um método para degradar e amolecer o hidrogel usando luz ultravioleta.

Em uma série de experimentos, os pesquisadores injetaram suas sondas em massas tumorais 3D cultivadas em laboratório e em embriões de peixe-zebra. Ao submeter esses tecidos a um campo eletromagnético, os cientistas ativaram as sondas para exercer várias tensões nos tecidos e medir a rigidez do tecido. A exposição da massa tumoral ou dos embriões à luz ultravioleta amoleceu a matriz PEG das sondas, permitindo que as sondas medissem as forças geradas pelas células dentro dos tecidos.

As sondas forneceram informações precisas sobre a rigidez e a tração do tecido, revelando pela primeira vez que, embora os tumores malignos possam se tornar mais rígidos em resposta aos tecidos circundantes, as células cancerígenas não alteram suas trações, independentemente de sua proximidade com materiais macios ou rígidos. Wang disse que isso desafia uma percepção comum de que as características físicas do tecido subjacente conduzem a mudanças nas forças internas das células cancerígenas, permitindo que elas metastatizem.

“As pessoas pensavam que a rigidez do substrato era a força motriz para o progresso do câncer”, disse Wang. “Nossas descobertas não suportam essa afirmação.”

As sondas também capturaram o empurrão e a tração das células durante o desenvolvimento embrionário, o que poderia oferecer uma nova visão sobre como essas oscilações correspondem ao padrão de órgãos, tecidos e membros à medida que os animais se desenvolvem de células únicas em tecidos complexos, disse Wang. O trabalho embrionário foi conduzido por pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia em Wuhan, China.

“Acreditamos que as grandes oscilações de força detectadas nos embriões são muito importantes para impulsionar os estágios iniciais do desenvolvimento”, disse Wang.

O artigo é intitulado “Quantificando rigidez e forças de colônias de tumores e embriões usando um microrobô magnético”.