“Biotensegridad”

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