Cuando se trata de estudiar los pulmones, los humanos absorben todo el aire, pero resulta que los científicos tienen mucho que aprender de las lagartijas.
Un nuevo estudio de la Universidad de Princeton muestra cómo el lagarto anolis marrón resuelve uno de los problemas más complejos de la naturaleza, la respiración, con la máxima simplicidad. Mientras que los pulmones humanos se desarrollan durante meses y años hasta convertirse en estructuras arbóreas barrocas, el pulmón anolis se desarrolla ensólo unos días en lóbulos crudos cubiertos con protuberancias bulbosas. Estas estructuras parecidas a calabazas, aunque mucho menos refinadas, permiten que el lagarto intercambie oxígeno por gases de desecho tal como lo hacen los pulmones humanos. Y debido a que crecen rápidamente al aprovechar procesos mecánicos simples, anolispulmones proporcionan una nueva inspiración para los ingenieros que diseñan biotecnologías avanzadas.
"Nuestro grupo está realmente interesado en comprender el desarrollo pulmonar con fines de ingeniería", dijo Celeste Nelson, profesora de bioingeniería de la familia Wilke e investigadora principal del estudio. "Si entendemos cómo se construyen los pulmones, tal vez podamos aprovechar lamecanismos que utiliza la madre naturaleza para regenerar o diseñar tejidos ".
Mientras que los pulmones de aves y mamíferos desarrollan una gran complejidad a través de ramificaciones interminables y señales bioquímicas complicadas, el pulmón de anole marrón forma su complejidad relativamente modesta a través de un proceso mecánico que los autores compararon con una bola de tensión de malla, el juguete común que se encuentra en los cajones de escritorio y el bricolaje.El estudio, publicado el 22 de diciembre en la revista Science Advances, es el primero en observar el desarrollo de un pulmón de reptil, según los investigadores.
El pulmón de anole comienza a desarrollarse unos días después como una membrana alargada y hueca rodeada por una capa uniforme de músculo liso. Durante el desarrollo, las células pulmonares secretan líquido y, al hacerlo, la membrana interna se infla lentamente y se adelgaza como un globo.La presión empuja el músculo liso, lo que hace que se apriete y se separe en haces de fibras que finalmente forman una malla en forma de panal. La presión del fluido continúa empujando la membrana elástica hacia afuera, abultando a través de los espacios en la malla fibrosa y formando bulbos llenos de líquidoque cubren el pulmón. Esas protuberancias crean una gran cantidad de área de superficie donde se produce el intercambio de gases. Y eso es todo. Todo el proceso toma menos de dos días y se completa en la primera semana de incubación. Después de que el lagarto eclosiona, el aire entra en elparte superior del pulmón, gira alrededor de las cavidades y luego fluye hacia afuera.
Para los ingenieros que buscan atajos de la naturaleza en nombre de la salud humana, esta velocidad y simplicidad crean un paradigma de diseño radicalmente nuevo. El estudio también abre nuevos caminos para que los científicos estudien el desarrollo de los reptiles con mucho mayor detalle.
Cuando Nelson comenzó a estudiar los pulmones de pollo a fines de la década de 2000, la sabiduría convencional sostenía que "los pulmones de pollo eran lo mismo que los pulmones de ratón eran lo mismo que los pulmones humanos", dijo Nelson. "Y eso no es cierto".
Deseosa de alterar esas suposiciones, guió a su equipo a hacer preguntas fundamentales sobre cómo se construyen los pulmones de diferentes clases de vertebrados. "La arquitectura del pulmón de las aves es increíblemente diferente a la del pulmón de los mamíferos", dijo Nelson.. Por ejemplo, en lugar de un diafragma, las aves tienen sacos de aire incrustados en todo el cuerpo que actúan como fuelles.
Para adaptar la exquisita complejidad de los pulmones de las aves a herramientas que pudieran beneficiar la salud humana, Nelson creía que la ciencia necesitaba profundizar aún más. La naturaleza había resuelto el problema del intercambio de gases con dos sistemas radicalmente diferentes. ¿Cómo estaban vinculados?¿Hay otros sistemas también? Esto llevó a su equipo al pasado en el tiempo evolutivo en busca de un origen común. Y allí estaba sentado el reptil, haciendo lo que los reptiles hacen tan bien: esconderse a plena vista.
Cuando Michael Palmer se unió al laboratorio como estudiante de posgrado, asumió el desafío de organizar este estudio, literalmente, desde cero. Los caimanes demostraron ser demasiado intratables. Los lagartijos verdes se negaron a reproducirse. Después de años de trabajo preliminar,Palmer hizo un viaje a Florida para capturar anoles marrones salvajes a fines de 2019. Él y su colega caminaron por el lodo de un parque suburbano, revolviendo rocas y hojas a lo largo del borde del bosque. Usaron trampas hechas de hilo dental para capturar alrededor.una docena de individuos y los colocaron cada uno en su propio vivero en miniatura. Luego llevaron a los animales desde el norte de Florida de regreso a Princeton, donde los veterinarios de la Universidad y el personal de recursos animales ayudaron al equipo a establecer una instalación permanente de anolis.
Fue entonces cuando Palmer comenzó a observar los huevos para mapear el desarrollo pulmonar de los organismos. Trabajando con Andrej Košmrlj, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial, así como con la estudiante de posgrado Anvitha Sudhakar, Palmer utilizó sus observaciones para construir un modelo computacional deel pulmón y comprender su física.
"Teníamos curiosidad por saber si podíamos aprender algo sobre los conceptos básicos del desarrollo pulmonar al estudiar un pulmón tan simple", dijo Palmer, quien obtuvo su doctorado en ingeniería química y biológica a principios de este año. Había visto evidencia de queEl músculo jugó un papel de esculpido en otros sistemas, pero en este estudio pudo observar cómo funcionaba eso directamente.
"El pulmón de lagarto se desarrolla utilizando un mecanismo muy físico", dijo Palmer. "Una cascada de tensiones inducidas por la presión y pandeo inducido por la presión". En menos de dos días, el órgano pasa de un globo plano a un pulmón completamente formado. YEl proceso es lo suficientemente simple como para que Palmer pudiera usar su modelo computacional para construir una réplica funcional en el laboratorio. Si bien el sistema diseñado no coincidía con la complejidad total del sistema vivo, se acercó.
Los investigadores moldearon la membrana usando un material de silicona llamado Ecoflex, comúnmente utilizado en la industria del cine para maquillaje y efectos especiales. Luego, recubrieron esa silicona con células musculares impresas en 3D para crear el mismo tipo de corrugaciones en la silicona inflada que tenía Palmer.encontrado en el órgano vivo. Encontraron barreras técnicas que limitaron la verosimilitud de su creación, pero al final fue asombrosamente similar al órgano vivo.
Esos humildes lagartos del patio trasero habían inspirado un nuevo tipo de pulmón artificial y un marco que los ingenieros pueden perfeccionar para fines futuros incognoscibles.
"Los diferentes organismos tienen diferentes estructuras de órganos, y eso es hermoso, y podemos aprender mucho de él", dijo Nelson. "Si apreciamos que hay mucha biodiversidad que no podemos ver, y tratamos de aprovecharde él, entonces nosotros, como ingenieros, tendremos más herramientas para abordar algunos de los principales desafíos a los que se enfrenta la sociedad ".
El documento "Morfogénesis de bolas de estrés: cómo el lagarto construye su pulmón" fue financiado en parte por fondos de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo de Tecnología Transformativa Eric y Wendy Schmidt y el Instituto Médico Howard Hughes. Adicionallos autores incluyen a Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran y Jared E. Toettcher, profesor asociado de biología molecular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Scott Lyon. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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