Una capa celular se parece a una multitud de personas alineadas una detrás de otra. Si en la multitud hay obstáculos, por ejemplo dos postes, la gente tiene que rodearlos y en el flujo se forman remolinos. En el tejido vivo, esos remolinos se llaman defectos topológicos, y no son un accidente, sino una forma que tiene el tejido de adaptarse a la forma del espacio que lo rodea.

Los investigadores cultivaron una capa de células musculares sobre un sustrato con una cavidad redonda y dos postes cilíndricos simétricos. El diámetro de los postes variaba de 0,1 a 0,4 mm. Resultó que, con diámetros de 0,3 y 0,4 mm, en la capa se forman de manera estable exactamente dos defectos, cada uno con carga -1/2. Esa carga significa que la orientación de las células alrededor del punto gira media vuelta. La carga total de los dos defectos es -1, lo que corresponde al requisito del teorema de Poincaré-Hopf para una región con dos aberturas.

Los científicos notaron que la posición de los defectos depende del tamaño de los postes. Con un diámetro de 0,4 mm, los defectos se sitúan casi en el eje vertical que une los centros de las aberturas. Con 0,3 mm, se desplazan hacia el centro y se desvían del eje. Para explicar esto, construyeron un modelo teórico en el que la orientación de las células se describe como un campo en un cristal líquido. La minimización de la energía de Frank, es decir, la energía de las distorsiones elásticas de la orientación, mostró que, con un radio de los obstáculos menor de 0,18 mm, es favorable la configuración horizontal de los defectos; de 0,18 a 0,38 mm, la fuera del eje; y por encima de 0,39 mm, la vertical. Las posiciones predichas coincidieron con los picos experimentales con una precisión de 60 μm, menor que el tamaño de una sola célula.

Este trabajo muestra por primera vez cómo los obstáculos internos controlan la simetría de la alineación celular a través de restricciones topológicas. Antes se estudiaban regiones sin aberturas o con una sola abertura, donde la carga total no es negativa. Ahora está claro que en los tejidos que rodean varias cavidades, como vasos o conductos, surgen defectos con carga negativa, y su ubicación se puede predecir a partir de la geometría. Esto abre el camino al diseño de microambientes para controlar la orientación celular en la ingeniería de tejidos, y también ayuda a comprender cómo crecen los tumores alrededor de los vasos o cómo se rompen los tejidos epiteliales.

Volviendo a la multitud: el tamaño de los postes determina dónde exactamente la gente se agrupará en remolinos. Así también en la capa celular, el diámetro de los obstáculos dicta dónde aparecerán los defectos y, por tanto, cómo se contraerá y se moverá el tejido.