As forças mecânicas governam os processos biológicos, das contrações do coração em forma de bomba, para músculos que se assemelham a cordas e pulsos, e células que realizam cabos-de-guerra microscópicos.

Anteriormente, esses aspectos mecânicos da biologia foram amplamente ignorados, principalmente devido à falta de tecnologia que permite medições mecânicas complexas.

Mas ferramentas melhores estão sendo desenvolvidas, e estes permitem o rastreamento da atividade mecânica em células e tecidos.

E por causa dessa visibilidade, novos medicamentos e tratamentos estão começando a surgir.

A mecanobiologia é a ciência de como as células e tecidos sentem e respondem às forças mecânicas.

Assim como nós, humanos, temos músculos e ossos que nos dão a capacidade de exercer forças, cada uma de nossas células também possui um esqueleto:o citoesqueleto. Esta rede de fibras permite que as células exerçam e resistam a forças, e permite que eles se movam.

Observando células T

As células T fazem parte do nosso sistema imunológico:elas podem agir como assassinas celulares, matando outras células, como as infectadas com vírus, ou células cancerosas.

Na microescala (cerca de um centésimo de cabelo humano), podemos visualizar e seguir as células T "caçando" as células cancerosas à medida que se movem e abrem caminho através dos tecidos. Isso aplica a abordagem conhecida como microscopia de força de tração 3-D (TFM).

Ao encontrar uma célula cancerosa, uma célula T agarra firmemente seu alvo, e dá um "beijo da morte".

Técnicas conhecidas como aspiração de pipeta dupla (DPA) e pinças ópticas (veja o vídeo abaixo) nos permitem pegar células individuais, e emparelhá-los de maneira controlada. Isso nos permite entender e ilustrar a mecânica por trás desse "beijo" mortal.

Usando técnicas mecanobiológicas para ver como as células T encontram e matam as células cancerosas, pode permitir um melhor direcionamento de imunoterapias anticâncer.

A primeira imunoterapia direcionada ao câncer usando células T do próprio paciente foi aprovada recentemente pela Food and Drug Administration (FDA) dos Estados Unidos.

Sentindo a força

As células usam sensores de força para detectar e distinguir entre muitos dos sinais físicos que experimentam.

A principal classe de sensores de força são os "canais iônicos mecanossensíveis". Estes são buracos, ou poros, na superfície da célula que pode abrir e fechar.

Quando a célula sente uma força física ou um estímulo mecânico (em essência, como um produto microscópico), esses poros podem abrir. Os produtos químicos entram e saem, e uma minúscula corrente elétrica é conduzida através da parede celular. Isso pode ser medido anexando pequenos eletrodos à superfície de uma célula.

Muitos tipos de células e tecidos têm esses sensores, e responder às mudanças nas cargas mecânicas. Isso inclui os neurônios que sustentam nosso sentido do tato, metastatizando células cancerosas e as células que mantêm nossa cartilagem nos ossos.

O medicamento EVENITY - que visa prevenir a perda óssea na osteoporose - atua por essa via. A droga bloqueia a esclerostina, um fator chave que inibe naturalmente a formação óssea com base nas funções de mecanossensibilização das células formadoras de osso.

Testado em ratos viajando para a Estação Espacial Internacional, o tratamento agora foi aprovado em testes clínicos em humanos e está aguardando a aprovação do FDA para uso no tratamento de pacientes com osteoporose nos Estados Unidos.

Órgão em um chip

A tecnologia órgão-no-chip é projetada para auxiliar no desenvolvimento de medicamentos, modelagem de doenças e medicina personalizada. Cada unidade individual é feita de um material transparente conhecido como polímero:tem o tamanho aproximado de um stick USB, e consiste em canais ocos revestidos por células humanas vivas.

Esses chips diferem de outros testes de laboratório, como cultura de células, no sentido de que podem imitar a fisiologia e a mecânica de como as células interagem com os tecidos vivos (em vez de apenas observar as respostas em células individuais).

Por exemplo, os órgãos em chips podem recriar a arquitetura dos órgãos humanos em nível microscópico, incluindo os intestinos, rim, pele, medula óssea e áreas do cérebro.

Um exemplo de uso de tecido pulmonar é descrito no vídeo abaixo. Essa tecnologia fornece uma maneira de ver doenças nos tecidos, e é uma alternativa aos testes em animais para o desenvolvimento de drogas.

Muitos pesquisadores e empresas de biotecnologia esperam que a tecnologia, como os órgãos sobre chips, acelere o desenvolvimento de novos medicamentos, e medicina personalizada avançada.

Usando técnicas existentes, os estudos clínicos podem levar anos para serem concluídos e o teste de um único composto pode custar muitos milhões de dólares. Também, estudos pré-clínicos em animais muitas vezes falham em prever as respostas humanas porque os modelos animais nem sempre imitam com precisão as respostas biológicas humanas.

Em abril de 2017, o FDA anunciou um acordo de pesquisa e desenvolvimento de vários anos para avaliar a tecnologia de órgãos em chips, começando com um chip de fígado.

O acordo pode se expandir no futuro para cobrir fragmentos de órgãos adicionais, incluindo rim, modelos de pulmão e intestino.

A mecanobiologia está integrando as ciências físicas à biologia e impulsionando o desenvolvimento de novas tecnologias. Observando as células em movimento, compreender e medir forças na escala celular, e a criação de mini modelos de tecidos humanos no laboratório é apenas o começo.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.