Aspectos fenomenológicos del crecimiento y expansión de sistemas celulares: efecto de la modificación del medio y el substrato en el fenotipo celular

Abstract

El estudio de los sistemas supramoleculares de interés biológico requiere de la colaboración interdisciplinaria de diversas ramas del conocimiento. En estos sistemas complejos la organización de los individuos genera procesos cooperativos que resultan impredecibles a través de la simple adición del comportamiento individual. Las células que forman los organismos más complejos pueden crecer en medios quasi-artificiales para el estudio de sus propiedades individuales o de grupo. Estas constituyen per se sistemas complejos capaces de sentir y procesar las señales provenientes del medio en el que se desarrollan y desencadenar un conjunto de funcionalidades y comportamiento dependientes de su origen y que de fine su fenotipo para cada condición particular. Las células constituyen entes inteligentes que responden a perturbaciones proporcionadas por el entorno y dan cuenta de sus características fisicoquímicas y bioquímicas. Las células en los tejidos pueden percibir un conjunto de señales biofísicas y bioquímicas e integrarlas para cambiar su estado dinámico. En este sentido las células son "materiales inteligentes" y este comportamiento es de gran importancia para el diseño de nuevos materiales con aplicaciones particulares. La adhesión celular es el primer paso en muchos procesos fisiológicos, como la cicatrización de heridas, o patológicos, como las infecciones bacterianas y la propagación tumoral. La adhesión celular juega también un papel preponderante en la ingeniería de tejidos y en el diseño de superficies utilizadas en implantes médicos. Por eso resulta necesario conocer el efecto de cambios locales en las propiedades de los materiales que forman el medio o matriz extracelular (MEC), tales como cambios en la composición, micro-topografía, rigidez, etc., sobre el comportamiento de las células. La propagación de los sistemas multicelulares conlleva variaciones espacio-temporales de las interacciones entre los individuos y con el entorno durante el desarrollo de fenómenos colectivos. De esta manera queda condicionada la expansión de la población celular y la movilidad de cada célula, determinando la organización y el crecimiento del sistema. En esta tesis se observarán y describirán procesos que tienen lugar en los cultivos celulares en distintos entornos y que resultan comunes al crecimiento y expansión de sistemas complejos en general, tanto de origen inorgánico como orgánico. Además, se intentará modificar la funcionalidad de las células a través del cambio en las condiciones del medio en el que se desarrollan. Se propone avanzar en el conocimiento de la dinámica de sistemas supramoleculares de interés biológico y el papel que juegan en ella su organización y respuesta funcional. Se prevé caracterizar la fenomenología del comportamiento de sistemas multicelulares in vitro y como influye el cambio de las propiedades fisicoquímicas del entorno. Se conoce que los procesos celulares dependen de las interacciones recíprocas y dinámicas de las células con el microambiente que las rodea. Este les proporciona estímulos bioquímicos y mecánicos determinados por las células vecinas y el entorno extra-celular. El tema resulta de particular interés para la ingeniería de biomateriales enfocada al estudio de regeneración de tejidos y la comprensión de los procesos y transformaciones que ocurren en la propagación de ciertos tejidos y tumores. En general, estos procesos son el resultado de la coordinación espacio-temporal de la diferenciación, la proliferación y la migración celular, estos tres regulados por un conjunto complejo de señales fisicoquímicas dinámicas que se generan en el ambiente extra-celular. Esta tesis trata del uso de cultivos celulares para estudiar diversos aspectos del crecimiento y expansión de sistemas celulares y propiedades de materiales biocompatibles. Se comenzará con una breve descripción de algunos de los descubrimientos y desarrollos más importantes vinculados a los cultivos celulares, tanto procariotas como eucariotas, y sus aplicaciones. Continuará con una breve descripción de técnicas de análisis utilizadas en física y química aplicadas a sistemas biológicos. Un gran número de biomateriales se desarrollaron para modular las funcionalidades de las células y son brevemente descriptos al final del marco teórico. A continuación se describirán e interpretarán los resultados obtenidos a partir de cada sistema de estudio. En el capítulo 1 se estudiará el fenotipo celular y la fenomenología de la propagación de colonias con geometrías quasi-circulares y quasi-lineales. En el capítulo 2 se analizarán los cambios que produce en el fenotipo celular y en el mecanismo de propagación de las colonias la modificación de las propiedades reológicas del medio de cultivo. A continuación, en el capítulo 3, se mostrará como la presencia de agentes solubles con bioactividad en el medio de cultivo afecta las características celulares y la dinámica de crecimiento de las colonias. En todos los casos se vincularán los cambios morfológicos y dinámicos globales de la colonia con las características microscópicas de la misma, como la aparición de heterogeneidades espacio-temporales y los cambios en la movilidad y fenotipo celulares. En los capítulos 4, 5 y 6 se describirá la interacción de las células con numerosas superficies poliméricas fabricadas utilizando la técnica de ensamblado de capa por capa y cómo las características de las multicapas obtenidas determinan la adhesión celular. En el capítulo 4 se mostrarán las características de la adhesión de células epiteliales sobre multicapas de polielectrolitos de distintas composiciones. Además, se propondrá una estrategia para mejorar las propiedades adhesivas de multicapas de biopolielectrolitos basada en el ensamblado de un bloque formado por polielectrolitos de origen natural sobre un bloque inferior que contiene el policatión de origen natural pero un polianión sintético. En el capítulo 5 se propondrá otra técnica para mejorar la adhesión celular sobre películas de biopolielectrolitos basada en el recocido térmico de las mismas. Luego, en el capítulo 6, se mostrará que el recocido térmico de multicapas de otra composición disminuye la adhesión celular y bacteriana sobre esta superficie. En el capítulo 7 se mostrará como la microestructuración del sustrato permite controlar la dirección de los movimientos celulares y permite validar la aplicación de ciertos modelos universales a la dinámica de crecimiento de la interfase de una colonia. Finalmente se presentarán algunas conclusiones generales.