Universidad de Buenos Aires Facultad de Medicina Escuela de Kinesiología y Fisiatría Cátedra de Técnicas Kinésicas Tres “Biotensegridad” Alumnos: Quiroga Cangiano, María Florencia Steinberg, Damián Veliz, Jesica Cecilia Velona ,Leonela Zaccara, Juan 2013 Introducción El término de biotensegridad surgió hace aproximadamente 25 años tras las investigaciones del profesor Donald Ingber (diplomado de la Universidad de Medicina en Harvard), quién explicó la tensegridad relacionándola al citoesqueleto de la célula, su movimiento y comportamiento. Tiempo después muchos investigadores intentaron darle una definición definitiva a este término, pero ninguno lograba utilizar el término correctamente. En la estructura del cuerpo humano se dispuso como máximo exponente calificador de tensegridad a la fascia; la fascia como estructura tenségrica. La tensegridad es una de las propiedades principales del tejido conectivo gracias a la cual es capaz de comportarse como un sistema autoestable, como una red continua de continuas tensiones y compresiones en un juego dinámico. Si una estructura tenségrica es sometida a stress este se distribuye en toda la estructura. Esto explicaría la generación de las cadenas lesionales generadas por la capacidad de integración estructural de la fascia, proporcionándole al organismo tensegridad. La propiedad de una estructura de ser tensegril se debe en gran parte a los elementos biológicos que la componen. En el tejido fascial los fibroblastos se encuentran en mayor proporción, y dentro de ellos unas células lisas especializadas: los miofibroblastos, quienes provocan el movimiento intrínseco de la fascia, ya que responden, entre otros factores, a la tensión mecánica permanente que nos lleva a una modificación de las estructuras moleculares y con el tiempo a una desorganización corporal. 2 Biotensegridad: Una Teoría Unificadora de la Arquitectura Biológica Con Aplicaciones a la práctica osteopática, la Educación y la Investigación - Una revisión y análisis. Desde su creación, la medicina osteopática ha tratado de identificar las causas mecánicas de la enfermedad y de entender la relación estructura-función del cuerpo. En los últimos 25 años se ha demostrado que los principios de la arquitectura de tensegridad se pueden aplicar a los organismos biológicos (biotensegridad) y que éstos pueden demostrar la relación estructura-función mecánica en todas las escalas del cuerpo humano. A nivel celular permite convertir estímulos mecánicos en cambios bioquímicos denominados “transducción mecánica”, cuya comprensión es fundamental en el estudio de procesos como la carcinogénesis. Además, biotensegridad explica cómo las fuerzas mecánicas aplicadas durante el tratamiento de manipulación osteopática podrían dar lugar a efectos a nivel celular, proporcionando una plataforma para futuras investigaciones sobre los mecanismos de acción de tratamiento de manipulación osteopática. R. Buckminster Fuller, importante matemático e inventor, contribuyó en la articulación de los principios de la arquitectura de tensegridad, analizando la diferencia entre las estructuras artificiales típicas, que son estabilizadas por fuerzas de compresión gravitacional, y los sistemas de tensegridad, que se estabilizan con tensión continua y compresión discontinua. La investigación durante los últimos 30 años, encabezada por Donald Ingber ha demostrado que las células funcionan como estructuras de tensegridad pretensadas independientes. Las fuerzas mecánicas son tan importantes como la señalización bioquímica en la configuración del desarrollo adecuado de células, la función y los procesos patológicos. 3 Tensegridad En los años 60’ Fuller formalizó el principio de la arquitectura de tensegridad basándose en la escultura de "pieza en X", creado por el artista y escultor Snelson en 1948. De acuerdo a este principio, las estructuras están estabilizadas por la tensión continua con compresión discontinua. Según Fuller existen 2 clases generales de estructuras de tensegridad: -Pretensado: Se forman a partir de una serie de elementos resistentes a la compresión discontinua mantenidas dentro de una red de elementos de tensión continua. Estas estructuras pueden ser alteradas ajustando la pretensión dentro de la estructura o bien reposicionando los elementos intermitentes resistentes a la compresión. -Geodésica: Se estabilizan a través de la triangulación de fuerza. A diferencia de los sistemas pretensados, en los sistemas geodésicos los elementos individuales son capaces de alternar entre la generación de tensión o resistencia a la compresión, dependiendo de cómo se aplica una fuerza externa a la estructura. Las estructuras de Tensegridad son intrínsecamente autoestabilizadas debido a su nivel de tensión previa y la triangulación. Esta característica le confiere flexibilidad, minimizando el daño provocado ante una fuerza y permitiendo el regreso a su forma original. Figura 1 Modelos (A) pretensado y (b) geodésico. 4 Aplicación de la Teoría de Tensegridad para los organismos biológicos La aplicación de esta teoría comenzó a estudiarse en la columna vertebral humana en el año 1970, aunque hoy en día también es aplicada a nivel molecular, celular, tisular, de órganos, etc. Cada uno de estos niveles se encuentra relacionado con los otros de manera jerárquica. Figura 2 Persona en pose de yoga "Rueda", demuestra que la columna vertebral no funciona mecánicamente como una "columna". Figura 3 Modelos de cómo una fuerza que se aplica a una estructura de biotensegridad En 1975 Ingber durante un curso de licenciatura en escultura observó en un modelo pretensado como la aplicación de una fuerza producía una deformación en el conjunto de esta y una vuelta a la posición original una vez cesada la carga. 5 Paralelamente se encontraba estudiando técnicas de cultivo de células en un curso de biología, lo que le permitió comparar la deformación de la célula cuando se la manipulaba, con el modelo tensegrico. Así resolvió que las células funcionan tenségricamente, siendo esta la base de su trabajo de graduación universitaria. De 1985 a 1910 Ingber presentó formalmente su teoría en una publicación en coautoría con su mentor James D. Jamieson, Estableció su propio laboratorio en el mediados de 1980 y se propuso demostrar que las células funcionan como estructuras de tensegridad. Ingber (además de otros) ha validado su teoría de la tensegridad celular en más de 300 publicaciones científicas. Por otra parte, la investigación ha hecho contribuciones duraderas a los campos de la biología, medicina e ingeniería. Biotensegridad Celular Durante las últimas dos décadas se ha demostrado que el pretensado celular permite que la célula responda a los cambios en el medio externo (fuerzas externas) mediante adaptaciones internas. Esto se logra gracias a un pretensado, que fue puesto en evidencia a finales de 1980 y principios de 1990 con el análisis inmunohistoquímico de los elementos del citoesqueleto. De esta manera se pudo observar que in vivo los microfilamentos aparecen completamente rectos como una cuerda tensa formando redes geodésicas trianguladas dentro de la célula, mientras que los microtúbulos están doblados como un árbol ante la flexión del viento, cumpliendo así los microfilamentos la función de elementos de tensión y los microtúbulos de compresión discontinuos dentro de la célula. Sin embargo, aún era necesaria una evidencia directa, que apareció en 2006 con el uso de la tecnología láser. También se observó que el medio extracelular (ECM) también está implicado en la resistencia a la tensión celular, además de los microtúbulos. Esto estableció idea de conexión biofísico-dinámica entre las células y su ECM circundante e introdujo la posibilidad de 6 una organización jerárquica basada en tensegridad de organismos biológicos. Se pudo analizar que esta conexión se produce por medio de integrinas (proteínas transmembrana) agrupadas formando complejos de adhesión focal, considerados como puntos de integración entre los elementos de tensión y elementos de compresión. Helene Langevin durante la última década ha estado utilizando in vivo la fascia superficial de ratón para estudiar la fisiología de fibroblastos, y demostró que estos están íntimamente conectados a su ECM. Además en la ingenieria biomédica comenzó a utilizarse modelos basados en tensegridad para explicar cómo las células rojas de la sangre pueden deformarse constantemente en la circulación conservando su forma. La investigación sobre tensegridad celular ha avanzado enormemente en comprensión de la biología celular, ya que de esta forma se puede entender cómo las células se adaptan a su entorno mecánico en constante cambio y convierten la información mecánica dinámica en cambios bioquímicos para el proceso de mecanotransducción. Biotensegridad Molecular Zanotti y Guerra propusieron que el plegamiento de las proteínas globulares (estructuras secundarias y terciarias) se rige por los principios de la tensegridad. De acuerdo con esta hipótesis, α-hélices y β-hojas son los puntales de compresión resistentes ante las fuerzas de atracción y repulsión soportando los cambios conformacionales dinámicos que ocurren a lo largo su transformación y ensamble para la formación de estructuras más grandes. Esto también se puede observar en el ADN que posee forma tridimensional, muy estudiada en el campo de la nanotecnología. 7 Órganos y tejidos en relación a la Biotensegridad Se ha estudiado a los órganos y tejidos como estructuras de tensegridad. A nivel de los tejidos la mayor parte de las investigaciones que se realizaron fueron dirigidas a comprender como la biotensegridad da lugar a la transducción de señales mecánicas y por otro lado que papel cumple la mecanotransducción en el desarrollo de los tejidos y la bioingeniería. A modo de ejemplo vamos a ver como influye este concepto a nivel de los órganos tales como los huesos y los pulmones: En relación al la tensegridad, el hueso es una estructura resistente a la compresión como parte del sistema musculoesquelético. Se trata de una estructura tenségrica independiente. Para comprender esta afirmación se trato de estudiar a modo de ejemplo que ocurre con el hueso fémur. Dicho hueso es un hueso largo con una cavidad (donde se aloja la médula ósea), presenta una cabeza femoral y cuello que se disponen en un ángulo aproximado de 45 grados. Debido a esta característica anatómica entonces la fuerza de compresión gravitacional a partir del peso del cuerpo no se transmite al fémur como una línea vertical sino que se transmite como una fuerza curvilínea que se extiende desde la cadera a la rodilla. Como una estructura de tensegridad, la cara medial del fémur va a estar adaptada resistiendo fuerzas de compresión, mientras la cara lateral estará adaptándose recibiendo fuerzas de tracción. Además en los extremos proximal y distal del fémur y como en todos los huesos largos, el hueso se ensancha y el hueso compacto es reemplazado por hueso esponjoso que no estará dispuesto al azar sino que se organiza en base a una distribución geométrica en donde algunos puntos estarán siendo sometidos a tensión y a los esfuerzos de 8 compresión por otro lado. Esta disposición trabecular proporciona entonces la máxima estabilidad del hueso y ayuda a recibir y disipar la fuerza a través de una articulación. Por lo tanto el fémur es una estructura de tensegridad compuesta de una combinación de los componentes de pretensado y triangulada. (Distribución geométrica). El otro órgano que vamos a tomar a modo de ejemplo es el pulmón. Se trata de otro órgano que ha sido visto cono una estructura de tensegridad. Los pulmones se encuentran en tensión permanente. Un amplio sistema de fibras componen los pulmones, desde la periferia hacia el hilio. De esta manera este gran sistema de fibras al tener una disposición geodésica siempre se encuentra transmitiendo tensiones en forma permanente. Así es la importancia que adquiere este concepto de tensegridad durante los movimientos respiratorios. A modo de ejemplo durante la inspiración, al contraerse el diafragma, los pulmones acompañan el movimiento descendiendo y poniéndose en tensión generándose así una presión negativa imprescindible para la entrada de aire hacia los pulmones. Gracias a su característica de tensegridad proporciona un sistema de apoyo que es extremadamente fuerte y eficiente requiriendo de un espacio mínimo para ejercer su función. Biotensegridad en el organismo Se estudio el concepto de tensegridad en el organismo y se propuso que el sistema músculo-esquelético humano podría ser visto como un sistema de tensegridad. Pero se llegó a la conclusión de que además la tensegridad constituye el soporte biológico general del sistema del cuerpo humano llamando entonces a este concepto como biotensegridad. Los principios de tensegridad se aplican a todas las escalas en el cuerpo humano, incluyendo el nivel del organismo. 9 Entonces de acuerdo con esta teoría de biotensegridad a nivel del organismo, los huesos son los puntales de resistencia a la compresión, mientras que los músculos, los tendones y los ligamentos son elementos de tensión. El sistema fascial es otro componente que puede funcionar tanto como un elemento resistente a la compresión como a la tensión. El sistema musculoesquelético completo de trata de un sistema de biotensegridad pretensado. Y los elementos individuales del sistema musculoesquelético también han sido vistos como estructuras de biotensegridad. Por otro lado la columna vertebral está estabilizada por los principios de la mecánica de tensegridad. De no ser así no seria posible realizar movimientos dinámicos a la vez que pueda proporcionar la protección suficiente para las estructuras vitales neurológicas. La columna vertebral funciona entonces como una estructura de tensegridad y solo así permite la dinámica necesaria para la movilidad y a la vez proporciona estabilidad. Movimiento dinámico y la estabilidad son dos propiedades fundamentales de las estructuras de tensegridad. Una estructura que es sometida previamente a tensión y es capaz de ser sometida a movimientos dinámicos y adaptarse a las fuerzas aplicadas a lo largo de la misma es la principal característica que hace a la columna vertebral. Dicha tensión previa es generada por los ligamentos, los pequeños músculos rotadores y los grandes músculos erectores de la columna. Transducción de la señal mecánica (mecanotransducción) Una célula pretensada seria preparada y lista para convertir la información mecánica en cambios bioquímicos. En relación a la biotensegridad se ha establecido que las células tenségricas pretensadas, vinculadas a su entorno extracelular y a su núcleo, al 10 recibir señales mecánicas (mecanotransducción) e integradas con otras señales bioquímicas son capaces de producir una respuesta celular orquestada. Transformación de señales mecánicas en señales eléctricas (concepto de piezoelectricidad). Componentes del sistema de mecanotransducción celular La célula en su conjunto funciona como un sistema de biotensegridad pretensado donde las fuerzas mecánicas extracelulares son transducidas intracelularmente en ubicaciones específicas dentro de la membrana celular. Una clase de proteínas transmembrana conocidas como integrinas se agrupan para formar complejos de adhesión focal y luego se unen a proteínas de la matriz extracelular y el citoesqueleto. Todos estos componentes forman parte de un sistema de biotensegridad pretensado. Otras proteínas que podemos nombrar son por ejemplo AMPc como un sistema de segundo mensajero, filamentos intermedios que se extienden al núcleo y los canales de iones. Todos estos componentes son claves en el concepto de biotensegridad pero a su vez son fundamentales como reguladores principales de la mecanotransducción. Haciendo referencia al AMPc, el mismo cumple un rol fundamental en la activación y regulación de la transcripción. Por lo tanto las fuerzas mecánicas aplicadas a través de adhesiones focales también pueden producir una modulación en la producción de AMPc y posteriormente conducir a la activación de factores de transcripción dentro del núcleo. Y por lo tanto las fuerzas mecánicas juegan un rol fundamental en la modulación celular de la señalización de segundo mensajero. 11 Aplicaciones en Biología del Desarrollo y la Ingeniería de Tejidos Es evidente que las células funcionan como estructuras biotenségricas, ya que son capaces de recibir señales mecánicas e integrar a esa señal para modular la señalización de segundos mensajeros que actuarán en la expresión genética. La evidencia está demostrada en el contacto de la célula con el ECM y mecano transductores. Para determinar esto Ingber realizó un experimento en células endoteliales cultivadas en conjuntos de "islas" en placas de cultivo celular y observó en las mismas la generación de apoptosis en islas pequeñas, mantenimiento de condiciones en islas de tamaño medio y extensión y proliferación en islas de tamaño grande. Ampliando esta investigación Christopher Chen estableció un experimento para determinar si la geometría ECM podría influir en la diferenciación de células madre. Colocó adipocitos en islas chicas y osteoblastos en islas grandes y con ayuda de una proteína específica (Rho) produjo el aumento de la proliferación celular, comprobando su teoría en el crecimiento mayor de las islas grandes. Numerosos estudios de investigación han demostrado el papel importante de las fuerzas mecánicas durante el desarrollo celular. Un ejemplo de esto se puede encontrar en el desarrollo del pulmón, ya que en diferentes estudios se ha logrado con éxito el acercamiento a la creación de un pulmón bioartificial. Mecanopatología Los principios de biotensegridad y el papel de los mecanos transductores en la fisiología celular nos lo llevan a considerar la posibilidad de tener un estado patológico debido a mecanos traductores alterados. Numerosos estados como la cardiomiopatía, la osteoporosis, la distrofia muscular, el asma, la aterosclerosis, se la relacionan en parte a alteraciones en los mecanos transductores. Una de las enfermedades que se la relaciona con la alteración de los mecanos traductores es el cáncer. Se podría sugerir, entonces, que 12 las alteraciones en los mecanos transductores podrían conducir a la formación de tumor mediante la alteración de crecimiento y diferenciación celular y contribuir al potencial metastásico del tumor resultante por el cambio de la forma de las células que pasan a ser tumorales. Ingber sugirió que la ingeniería en los tejidos puede ser capaz de proporcionar un tratamiento, utilizando ECM embrionario para ayudar a la célula a regresar a un estado pre cáncer. Este meticuloso trabajo se puede extrapolar a la medicina osteopática para la restauración del movimiento fisiológico a través del tratamiento manual en una disfunción somática y permitir que las células dentro del tejido funcionen de manera óptima gracias a la liberación de los mecanos transductores. Integración de la Biotensegridad a los principios de la Osteopatía El fundador de la medicina osteopática, Andrew Taylor Still, declaró: “Un osteópata, en búsqueda de la causa de la enfermedad, comienza a buscar en la causa mecánica”. Sin embargo las fuerzas mecánicas en la fisiopatología se centran en el sistema músculo-esquelético y en la disfunción somática, no en la fisiología celular. Por lo tanto es sorprendente que muy pocas menciones de biotensegridad se encuentren en la literatura médica osteopática. Un enfoque de Biotensegridad a los Conceptos de Liberación Fascial Osteopática: Vinculación y Liberación En su edición de 1902 “la filosofía y principios mecánicos de la osteopatía” declara que las propiedades mecánicas de la fascia constituyen “uno de los mayores problemas a resolver”. Por lo tanto numerosas modalidades de tratamiento de manipulación osteopática se han desarrollado para liberar a la fascia. 13 En la terminología osteopatíca esto se define como "resistencia palpable al movimiento", mientras que la liberación, se definen como "la capacidad de la fascia y otros tejidos para alargarse cuando se someten a una carga, ofreciendo menor resistencia a una segunda aplicación de carga”. Esto se produce con las técnicas manuales ya que proporcionan una retroalimentación con el tejido del paciente mediante movimientos pasivos. Podemos aplicar una técnica de liberación directa fascial en donde se requiere una torsión, compresión y tracción hasta la barrera del tejido a tratar, dando el tiempo necesario para que se produzca la liberación fascial. Después de ocurrir esto, la región puede moverse en todos los planos con mayor facilidad. Aunque los conceptos de liberación fascial son ampliamente aceptados en la medicina osteopática, los mecanismos fisiológicos que lo provocan son ampliamente desconocidos. Arquitectura Fascial En la última década las comunidades médicas y científicas se han interesado cada vez más en la fascia. Este interés por la fascia culminó con el Primer Congreso Internacional de Investigaciones de la Fascia celebrado en la Universidad de Harvard en 2007, que reunió a los médicos e investigadores de diversas especialidades en un intento de desarrollar nuevos enfoques para la comprensión y la investigación del sistema fascial. Es de destacar que el primer presentador en este congreso fue Ingber, que presentó los conceptos de tensegridad celular y mecanotransducción. La medicina osteopática también ha experimentado un resurgimiento del interés en la fascia, basando sus fundamentos bibliográficos en 14 trabajos del anatomista Frank Willard. Según Willard las cuatro subdivisiones principales de la fascia son: superficiales axial meníngea visceral Los médicos osteópatas aprecian una conexión directa de la fascia superficial y la fascia profunda. Una vista en bruto de la dermis reticular muestra un patrón regular, geométrico de las fibras de colágeno. Debajo de la dermis reticular está la capa de la fascia superficial (hipodermis), con numerosos glóbulos de grasa. Sin embargo, la eliminación cuidadosa de los glóbulos de grasa sin la interrupción de las fibras de colágeno que corren entre ellos revela una disposición geodésica de fibras de colágeno que son continuas con la dermis y la fascia axial. Figura 4 (A) Epidermis y dermis humana visto perpendicular a la superficie de la piel. (B) Una vista anatómica bruto de la dermis reticular vista paralela a la superficie de la piel. Aquí, la epidermis ha sido disecada cuidadosamente lejos de la dermis. (C) Una vista anatómica bruto de la fascia superficial con el tejido adiposo retirado cuidadosamente dejando las fibras de colágeno intacto. 15 Fibroblastos y Mecanotransducción Los fibroblastos son las células principales del tejido conectivo irregular y son responsables de producir los componentes de la sustancia fundamental, así como colágeno, fibronectina, y otras proteínas de la matriz extracelular. También juegan un papel vital en la curación de heridas, donde son reclutados al sitio de la lesión. Las células han demostrado que funcionan como sistemas biotenségriles de estructura pretensada por estar conectados a las proteínas de la matriz extracelular, así están preparadas para recibir señales mecánicas a través del proceso de mecanotransducción. Paul Standley también demostró un aumento en la expresión de numerosos genes inflamatorios y un aumento en la tasa de apoptosis en los fibroblastos sometidos a tensión por movimiento repetitivo, tales como se realizan en técnicas de manipulación osteopática. El trabajo de Standley y Langevin indica que los fibroblastos de tejido conectivo irregular están pretensados gracias a las células que están vinculadas jerárquicamente con el medio extracelular, pudiendo ser capaces de responder a las fuerzas mecánicas a través de cambios en la expresión génica. Esto se produce durante la aplicación de técnicas de liberación miofascial ya que los fibroblastos son receptores de fuerzas mecánicas a través de la mecanotransducción y generando cambios en la tensión. Un nuevo enfoque de la disfunción somática Cuando una célula está en contacto con su medio extracelular el movimiento fisiológico de su tejido circundante se detecta a través de mecanotransducción y se integra con otras señales bioquímicas que puedan intervenir en procesos tales como el crecimiento, la diferenciación y la apoptosis. Si se restablece el movimiento fisiológico, ya sea a través del uso de tratamiento de manipulación osteopática u otros medios, el tejido logra funcionar normalmente. 16 Conclusión Los principios de biotensegridad proporcionan una explicación en cuanto a cómo el cuerpo puede recibir información a través de fuerzas mecánicas y convertirlas en señales bioquímicas, generando cambios en el organismo. Es aplicable a todas las escalas del cuerpo humano, desde las moléculas y las células a los tejidos y órganos. Esto es un principio fundamental para la realización de técnicas osteopáticas ya que de esta forma podemos lograr un cambio favorable en la salud de nuestros pacientes. Bibliografía http://www.jaoa.org/content/113/1/34.long http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23329804 http://tenerifeosteopata.blogspot.com.ar/2011/12/tensegridady-biotensegridad.html http://www.slideshare.net/leonardolagos/biotensegridad-leolagos 17