No hay duda de que el ejercicio hace bien al cuerpo, incluido el fortalecimiento y tonificación de nuestros músculos. Pero, ¿cómo exactamente el ejercicio hace que esto suceda?

Mientras corremos, levantamos pesas y nos estiramos, nuestros músculos experimentan señales químicas de las células circundantes, así como fuerzas mecánicas al chocar contra los tejidos. Algunos fisiólogos se preguntan: ¿son los estimulantes químicos naturales del cuerpo o las fuerzas físicas del movimiento repetido (o una combinación de ambos) lo que en última instancia impulsa el crecimiento de nuestros músculos? La respuesta podría ser la clave para identificar terapias que ayuden a las personas a recuperarse de lesiones musculares y trastornos neurodegenerativos.

Ahora, los ingenieros del MIT han diseñado una especie de colchoneta de entrenamiento para células que puede ayudar a los científicos a concentrarse, a nivel microscópico, en los efectos puramente mecánicos del ejercicio.

El nuevo diseño no es tan diferente de una estera de yoga: ambas son gomosas y un poco elásticas. En el caso de la estera del MIT, está hecha de hidrogel, un material suave parecido a la gelatina que tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de veinticinco centavos y está incrustado con micropartículas magnéticas.

Para activar la función mecánica del gel, los investigadores utilizaron un imán externo debajo de la estera para mover las partículas incrustadas hacia adelante y hacia atrás, haciendo oscilar el gel a su vez como una estera vibratoria. Controlaron la frecuencia del bamboleo para imitar las fuerzas que experimentarían los músculos durante el ejercicio real.

Luego hicieron crecer una alfombra de células musculares en la superficie del gel y activaron el movimiento del imán. Luego, estudiaron cómo respondían las células al "ejercitarse" cuando se las hacía vibrar magnéticamente.

Hasta ahora, los resultados sugieren que el ejercicio mecánico regular puede ayudar a que las fibras musculares crezcan en la misma dirección. Estas fibras alineadas y “ejercitadas” también pueden funcionar o contraerse en sincronía. Los hallazgos demuestran que los científicos pueden utilizar el nuevo gel de entrenamiento para moldear el crecimiento de las fibras musculares. Con su nuevo dispositivo, el equipo planea modelar láminas de músculos fuertes y funcionales, potencialmente para usar en robots blandos y para reparar tejidos enfermos.

"Esperamos utilizar esta nueva plataforma para ver si la estimulación mecánica podría ayudar a guiar el crecimiento muscular después de una lesión o disminuir los efectos del envejecimiento", dice Ritu Raman, profesora británica de desarrollo profesional Alex d´Arbeloff en Diseño de Ingeniería en el MIT. “Las fuerzas mecánicas juegan un papel realmente importante en nuestros cuerpos y en el entorno en el que vivimos. Y ahora tenemos una herramienta para estudiar eso”.

Ella y sus colegas publicaron sus resultados hoy en la revista Device.

Hasta la alfombra

En el MIT, el laboratorio de Raman diseña materiales vivos adaptables para su uso en medicina y robótica. El equipo está diseñando sistemas neuromusculares funcionales con el objetivo de restaurar la movilidad en pacientes con trastornos motores y alimentar robots blandos y adaptables. Para comprender mejor los músculos naturales y las fuerzas que impulsan su función, su grupo está estudiando cómo responden los tejidos, a nivel celular, a diversas fuerzas, como el ejercicio.

"Aquí queríamos una forma de desacoplar los dos elementos principales del ejercicio (químico y mecánico) para ver cómo los músculos responden puramente a las fuerzas mecánicas del ejercicio", dice Raman.

El equipo buscó una manera de exponer las células musculares a fuerzas mecánicas regulares y repetidas, que al mismo tiempo no las dañaran físicamente en el proceso. Finalmente, aterrizaron en imanes, una forma segura y no destructiva de generar fuerzas mecánicas.

Para su prototipo, los investigadores crearon pequeñas barras magnéticas del tamaño de una micra, mezclando primero nanopartículas magnéticas disponibles comercialmente con una solución gomosa de silicona. Curaron la mezcla para formar una losa y luego la cortaron en barras muy finas. Intercalaron cuatro barras magnéticas, cada una ligeramente espaciada, entre dos capas de hidrogel, un material que normalmente se utiliza para cultivar células musculares. La estera resultante, incrustada con un imán, tenía aproximadamente el tamaño de una moneda de veinticinco centavos.

Luego, el equipo hizo crecer un "adoquín" de células musculares sobre la superficie de la colchoneta. Cada célula comenzó como una forma circular que gradualmente se alargó y se fusionó con otras células vecinas para formar fibras con el tiempo.

Finalmente, los investigadores colocaron un imán externo en una pista debajo de la estera de gel y programaron el imán para que se moviera hacia adelante y hacia atrás. Los imanes incrustados se movieron en respuesta, haciendo tambalear el gel y generando fuerzas similares a las que experimentarían las células durante el ejercicio real. El equipo “ejerció” mecánicamente las células durante 30 minutos al día, durante 10 días. Como control, cultivaron células en la misma alfombra, pero las dejaron crecer sin ejercitarlas.

"Luego, nos alejamos y tomamos una fotografía del gel, y descubrimos que estas células estimuladas mecánicamente se veían muy diferentes de las células de control", dice Raman.

Celdas en sincronía

Los experimentos del equipo revelaron que las células musculares que estaban expuestas regularmente al movimiento mecánico crecían más en comparación con las células que no se ejercitaban, que tendían a mantener su forma circular. Es más, las células "ejercitadas" se convirtieron en fibras que se alineaban en la misma dirección, mientras que las células inmóviles parecían un pajar más desordenado de fibras desalineadas.

Las células musculares que el equipo utilizó en este estudio fueron diseñadas genéticamente para contraerse en respuesta a la luz azul. Normalmente, las células musculares del cuerpo se contraen en respuesta al pulso eléctrico de un nervio. Sin embargo, la estimulación eléctrica de las células musculares en el laboratorio podría dañarlas, por lo que el equipo optó por manipular genéticamente las células para que se contrajeran en respuesta a un estímulo no invasivo, en este caso, la luz azul.

"Cuando iluminamos los músculos, se puede ver que las células de control están latiendo, pero algunas fibras laten de esta manera, otras de esa manera y, en general, producen una contracción muy asincrónica", explica Raman. “Mientras que con las fibras alineadas, todas tiran y golpean al mismo tiempo, en la misma dirección”.

Raman dice que el nuevo gel de entrenamiento, al que llama MagMA, para activación de matriz magnética, puede servir como una forma rápida y no invasiva de dar forma a las fibras musculares y estudiar cómo responden al ejercicio. También planea cultivar otros tipos de células en el gel para estudiar cómo responden al ejercicio regular.

"Hay evidencia de la biología que sugiere que muchos tipos de células responden a la estimulación mecánica", dice Raman. "Y esta es una nueva herramienta para estudiar la interacción".

Este estudio fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Oficina de Investigación del Ejército del Departamento de Defensa.

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