Para compreender as bases sobre a fisiologia e a mecânica de um tecido, há que compreender primeiro os conceitos embriológicos e histológicos associados.
Embriologia
A embriologia é uma subespecialidade da anatomia do desenvolvimento que estuda as mudanças desde a concepção até à oitava semana.
Figura 1. Fases da evolução de um óvulo fertilizado para o embrião.
A partir do blastocisto vão formar-se os chamados folhetos embrionários (ou germinativos) que vão dar origem aos tecidos definitivos no embrião. Estes folhetos são, respectivamente, endoderme, mesoderme e ectoderme, e dão origem a estruturas definitivas, como se pode ver na figura abaixo.
Figura 2. Estruturas a que os folhetos embrionários dão origem
No caso da cartilagem hialina articular, esta deriva principalmente da mesoderme, com a excepção das cartilagens craniofaciais que se originam na ectoderme (crista neural). A origem embrionária influencia o uso de células estaminais para as terapias médicas avançadas e as técnicas de regeneração da cartilagem.
Impacto da Embriologia nas Terapias Avançadas
Pegando no exemplo da cartilagem hialina articular, existem pontos importantes relativamente ao impacto da embriologia no uso de terapias médicas avançadas:
. Compatibilidade da fonte celular e linhagem embrionária
As células estaminais mesenquimatosas ou mesenquimais (MSCs), são células multipotentes, obtidas de tecidos mesodérmicos, como é o caso da medula óssea, tecido adiposo ou sinovial, e apresentam um elevado potencial condrogénico devido à partilha da linhagem embrionária com a cartilagem articular. Células estaminais pluripotentes (iPSCs/ESCs) requerem diferenciação direccionada para progenitores condrogénicos mesodérmicos de forma a evitar fenótipos indesejados, como é o caso da fibrocartilagem e da cartilagem hipertrófica.
. Desafios técnicos e soluções com células mulpipotentes
A probabilidade das MSCs em produzir fibrocartilagem (rica em colagénio tipo I) em vez de cartilagem hialina (com constituição maioritária em colagénio tipo II) é um obstáculo. Protocolos que utilizam fatores de crescimento, como o TGF-β3, e o BMP-4, demostraram um aumento na deposição de matriz hialina. Ensaios clínicos têm demonstrado regeneração osteocondral, em modelos, através da utilização de MSCs da medula óssea. No entanto, o declínio da capacidade das MSCs com a idade limita usos autólogos em idosos.
. Desafios técnicos e soluções com células pluripotentes
De acordo com Oldershaw e outros autores, em estudos in vitro, foi verificado que células derivadas de iPSCs geram, com êxito, tecido semelhante à cartilagem hialina articular. As ESCs produzem matriz rica em proteoglicanos além da regeneração do osso subcondral, no entanto, a escalabilidade destas técnicas ainda é um desafio. A regeneração eficaz exige, um controlo micro ambiental para a supressão da inflamação articular (contínuo), materiais especiais que imitem a matriz extracelular e a otimização dos protocolos de diferenciação de iPSCs para uma produção em escala clínica.
. O futuro da embriologia e das Terapias Médicas Avançadas
A origem mesodérmica da cartilagem articular justifica a utilização de MSCs ou iPSCs altamente diferenciadas em terapia regenerativa. Usar a combinação de scaffolds biomiméticos, fatores de crescimento e estratégias anti-inflamatórias parece ser o caminho mais promissor para ultrapassar as limitações atuais.
Tecidos e Classificação Fundamental
Chama-se tecido à estrutura formada por várias células idênticas com função semelhante. Diversos tipos de tecido conjugam-se e estruturam-se convenientemente para formar órgãos. Os órgãos formam um sistema ou aparelho, que não é mais do que uma estrutura complexa com função específica. Os vários sistemas formam o organismo humano.
Os tecidos são classificados, como 4 tecidos principais, tecido epitelial, tecido muscular, tecido nervoso e por fim, tudo o resto que não se encaixa nas restantes categoriais e que é o tecido maioritário no corpo humano, o tecido conjuntivo (ou conetivo).
Figura 3. Os 4 tipos de tecido principais
Figura 4. Subtipos de tecidos
- Tecido Epitelial
Histologia
O tecido epitelial é constituído por células poliédricas justapostas muito semelhantes entre si, apoiadas numa membrana basal, com pouca matriz extracelular. A membrana basal é segregada pelas células epiteliais e liga o epitélio aos tecidos subjacentes, é ainda responsável pela difusão de nutrientes. Existem 2 tipos de epitélios principais, o tecido epitelial de revestimento – este tecido cobre a superfície externa e as cavidades internas do corpo – e o tecido epitelial glandular que constitui as estruturas glandulares, as quais segregam vários tipos de substâncias para o interior ou para o exterior do corpo (glândulas endócrinas e exócrinas).
Figura 5. Tipos de tecido epitelial e onde se situam no corpo humano
Fisiologia
Exibe funções primárias de revestimento e protecção, no caso da pele, de absorção (exemplo do intestino), de secreção (as glândulas), de excreção (caso do rim) e de trocas gasosas (pulmões). A célula intestinal do epitélio é constantemente renovada por mitose na camada basal.
Comportamento Biomecânico e propriedades Mecânicas
- Resistência a forças de cisalhamento – pelos sistemas de adesão celular: integrinas e caderinas.
- Elasticidade dinâmica – é a capacidade de se regenerar após nova lesão.
- Barreira seletiva – Microvilosidades aumentam a área de absorção, otimizando funções fisiológicas.
A pele
A pele é o maior órgão do corpo humano, tem diversas funções, entre as quais absorver e excretar. É constítuida por epiderme, a camada mais externa da pele, onde se encontram as camadas de células epiteliais, pela derme, onde estão instalados a maior parte de suas estruturas (artérias, veias, nervos, glândulas sebáceas, glândulas sudoríparas e folículo piloso, e a hipoderme ou tecido subcutâneo onde se encontra a camada adiposa que se diferencia em determinadas áreas do corpo, podendo ser maior ou menor, dependendo da necessidade do organismo.
Figura 6. Camadas da Pele
A pele tem receptores que permite o contacto com o mundo exterior e são responsáveis pelas sensações essenciais à sobrevivência, sejam elas sensibilidade a temperaturas extremas ou às agressões do mundo exterior.
Figura 7. Receptores na Pele e percepção de sensações
2. Tecido Muscular
Histologia
Cada músculo é formado por um conjunto de células alongadas providas de numerosos núcleos, chamadas fibras musculares, que se agrupam em feixes envolvidos por bainhas de resistente tecido conjuntivo. Cada célula muscular – o miócito – é envolvida por uma membrana de tecido conjuntivo denominada endomísio. O perimisio envolve um feixe de células musculares e o epimísio envolve o conjunto de diversos feixes musculares.
Figura 8. A fibra muscular ou miócito
Existem 3 tipos de tecido muscular. O tecido muscular liso, presente nos órgãos, o tecido muscular estriado cardíaco, presente nas estruturas cardíacas e o tecido muscular estriado esquelético. Cada um destes tecidos musculares têm funções distintas. O tecido muscular estriado esquelético é de controlo voluntário e permite a locomoção ao ser humano e outras funções essenciais, como a respiração, o movimento ocular e a mastigação.
Figura 9. Tipos de tecido muscular
Fisiologia
O tecido muscular tem a capacidade de se contrair e relaxar, modificando assim o seu comprimento e permitindo o movimento. A contração do músculo esquelético é voluntária e ocorre pelo deslizamento dos filamentos de actina sobre os de miosina. Nas pontas dos filamentos de miosina existem pequenas projecções, capazes de formar ligações os filamentos de actina, quando o músculo é estimulado. Essas projecções de miosina puxam os filamentos de actina, forçando-os a deslizar sobre os filamentos de miosina. Isso leva ao encurtamento das miofibrilas e à contracção muscular. Durante a contracção muscular, o sarcómero diminui devido à aproximação das duas linhas Z, e a zona H chega a desaparecer.
Figura 10. Contração muscular
Duas características do tecido muscular é a contração ativada por Ca²⁺ (Deslizamento actina-miosina, consumindo ATP), e a lei do tudo ou nada, ou seja só dá uma resposta a estímulos acima do limiar.
Comportamento Biomecânico e propriedades Mecânicas
- Força contrátil – Geração de tensão até 60 MPa via hidrólise de ATP.
- Elasticidade passiva – Titina (é uma proteína com elevada elasticidade que regula o comprimento do sarcómero) e endomísio armazenam energia durante alongamento.
- Viscoelasticidade: Comportamento não-linear sob carga prolongada (creep e relaxamento).
- Resposta ao stress: Hipertrofia sob carga; atrofia e rigidez na imobilização.
3. Tecido Nervoso
Histologia
É constituído por neurónios (a maior célula do corpo humano)e por células de glia. O neurónio tem um corpo celular com dendritos responsáveis pela recepção, seguindo-se um longo axónio, responsável pela condução, e terminais de transmissão. Todo o axónio é envolvido pela bainha de mielina, que para além de protecção, isola o axónio permitindo a condução elétrica. As células da glia são maioritariamente astrócitos (suporte metabólico), oligodendrócitos (mielinização) e micróglia (defesa).
Figura 11. Neurónio
Figura 12. Células de Glia
Fisiologia
A neurofisiologia do tecido nervoso é complexa, mas resumidamente, este tecido é responsável pela transmissão eléctrica, através da despolarização de membrana por influxo de Na⁺/efluxo de K⁺ (potencial de ação) e pela plasticidade sináptica, que é a adaptação a estímulos por modulação de neurotransmissores.
Comportamento Biomecânico e propriedades Mecânicas
- Resistência à deformação – Axónios suportam até 20% de extensão via neurofilamentos.
- Mobilidade neural – Movimento independente das estruturas adjacentes, facilitado por interfaces mecânicas.
- Neurodinâmica – Interação entre fisiologia e mecânica, com alterações na condução sob stress mecânico.
4. Tecido Conjuntivo ou Conectivo
Histologia
É constituído por uma matriz extracelular (ECM) abundante com fibras de colagénio, elastina e substância fundamental (glicosaminoglicanos). As células são em pouca quantidade, são responsáveis pela síntese da ECM e são normalmente fibroblastos ou diferenciações de fibroblastos, podem ainda ser macrófagos, com impacto no sistema imunitário, uma vez que a sua principal função é a fagocitose.
O tecido conjuntivo constitui todos os elementos que não se classificam como tecido epitelial, muscular ou nervoso. É exemplo disto o sangue, que é um tipo de tecido conjuntivo com matriz principalmente liquida. A cartilagem, que vai ser bastante explorada nesta plataforma, pertence ao tecido conjuntivo.
O tecido conjuntivo organiza-se em tecido propriamente dito e em especializado.
Figura 13. Tipos de tecido conjuntivo
Fisiologia
O tecido conjuntivo preenche os espaços entre as estruturas e permite sustentação formando o estroma (tecido de suporte). É formado por células de tipos diferentes, entre as quais existem substâncias de consistência variável, que lhe conferem diversas funções para além do suporte, como transporte, defesa, preenchimento e cicatrização.
Comportamento Biomecânico e propriedades Mecânicas
- Resistência tênsil – Fibras de colagénio alinhadas (até 100 MPa). Exemplo: Tendões.
- Elasticidade – Rede de elastina com 90% de recuperação. Exemplo: Ligamentos.
- Viscoelasticidade – Fluido intersticial permite deformação lenta. Exemplo: Cartilagem articular.
- Resposta ao stress – Sob carga faz a reorganização de fibras e síntese de matriz. Na imobilização aumenta de ligações cruzadas no colagénio → rigidez e fragilidade.
A integração sobre a histologia, a fisiologia e a biomecânica mostram a especialização funcional de cada tecido. O tecido epitelial é uma barreira dinâmica, com regeneração contínua e resistência a tensões. O tecido muscular realiza uma conversão, em regime dinâmico, de energia química em força mecânica. O tecido nervoso, que tem resposta muito rápida, adaptável a deformações, transmite sinais. O tecido conjuntivo é um tecido de suporte estrutural, que apresenta resposta plástica a cargas, mediada pela remodelação da matriz. Estes princípios têm sido a base para os avanços em medicina regenerativa e bioengenharia de tecidos.
Mecânica de Tecidos em Engenharia Biomédica
A mecânica dos tecidos biológicos é o estudo do comportamento mecânico, como a pele, músculos, tendões, cartilagem e vasos sanguíneos, quando submetidos a cargas diferentes. É uma área fundamental para a medicina e para a bioengenharia, porque permite compreender a resposta destes tecidos frente a cargas mecânicas, auxiliando na criação de próteses, implantes e terapias regenerativas.
Propriedades Mecânicas Fundamentais
As principais características mecânicas são:
- Elasticidade – capacidade do tecido retornar à sua forma inicial após aplicação e remoção de uma força.
- Viscoelasticidade – característica dos tendões e da cartilagem, é a capacidade de deformação dependente do tempo e da força, é um comportamento que combina caraterísticas e viscosas.
- Plasticidade – capacidade de um tecido sofrer deformação permanente após a aplicação de uma força.
- Dureza – é a resistência à deformação plástica e à penetração.
- Resistência à tração – Capacidade do tecido biológico para aguentar tensões de estiramento sem ruptura. Por exemplo, os tendões suportam tensões muito elevadas durante o movimento corporal. É o ponto mais alto na curva do gráfico de tensão-deformação e indica a força máxima que o tecido aguenta antes de ceder.
- Resiliência – capacidade de um tecido absorver energia durante a deformação elástica e libertá-la quando a carga é removida. É uma deformação reversível. Calcula-se pelo gráfico de tensão-deformação, fazendo a área da deformação elástica.
- Tenacidade – capacidade de um tecido resistir à fratura sob tensão, absorvendo energia na deformação tanto elástica como plástica. É uma deformação permanente e representa a energia total necessária para romper o tecido. Calcula-se pelo gráfico de tensão-deformação, fazendo a área da deformação elástica com a área de deformação plástica.
- Alongamento e deformação – Quanto é o que o tecido se pode alongar antes da ruptura. O alongamento é uma medida quantitativa de extensão máxima e a deformação (seja ela reversível ou permanente) é uma alteração relativa da forma ou dimensão do material provocada por uma força aplicada. Tecidos como a pele e os músculos possuem elevado alongamento, enquanto a cartilagem é mais rígida.
- Trabalho de ruptura – É um conceito próximo da tenacidade. Representa a energia absorvida no tecido até ao ponto de ruptura. Tecidos com um trabalho de ruptura maior são mais resistentes ao impacto e cargas cíclicas.
- Resistência ao rasgo e à flexão – Avalia a capacidade do tecido biológico resistir às forças que podem rasgar ou curvar a estrutura. A pele, por exemplo, precisa de ser resistente ao rasgo para proteger o organismo.
- Módulo de elasticidade ou módulo de Young – descreve a rigidez do material, é uma medida específica do módulo de elasticidade, refere-se à relação entre a tensão e a deformação elástica na direção da força aplicada (tração ou compressão). Os tecidos como a cartilagem possuem um módulo de Young elevado, enquanto os músculos são mais elastoméricos.
Figura 14. Gráfico de stress-deformação de um tecido
Aplicações
A mecânica dos tecidos biológicos é aplicada em medicina e cirurgia, para descrever a biomecânica de órgãos e tecidos, tendo em atenção o planeamento de técnicas cirúrgicas e na seleção de materiais para implantes, em bioengenharia, através dos tecidos artificializados e estruturas de suporte (scaffolds) que replicam as propriedades mecânicas dos tecidos naturais, para estimular a regeneração tecidual, e em pesquisa biomédica no geral, para o desenvolvimento de doenças degenerativas e trauma, usando modelos computacionais e simulativos para predizer o comportamento dos tecidos em condições variadas. Alguns modelos computacionais, tais como o método de elementos finitos, são hoje usados na simulação do comportamento mecânico dos tecidos biológicos, facilitando o design de implantes bem como a compreensão de situações patológicas.
A mecânica de tecidos biológicos representa uma interface entre a engenharia e a física com a biologia, de forma a compreender e melhorar o desempenho de tecidos naturais ou artificiais em diferentes contextos. A compreensão profunda destas propriedades é essencial para a inovação de tratamentos, próteses e soluções para a saúde.
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