Evanston, Illinois, USA
Un mundo en el que los cirujanos pudieran trasplantar neuronas sanas y compatibles a pacientes que sufren enfermedades neurodegenerativas, lesiones cerebrales o de la médula espinal. Conseguir «hacer crecer» estas neuronas en un laboratorio a partir de las células de un paciente combinando materiales aptos para la impresión 3D.
Al descubrir un nuevo biomaterial imprimible que puede imitar las propiedades del tejido cerebral, los investigadores de la Universidad Northwestern ha descubierto un nuevo biomaterial imprimible para usarlo en medicina regenerativa.
Un ingrediente clave del descubrimiento es la capacidad de controlar los procesos de autoensamblaje de moléculas dentro del material, lo que permite a los investigadores modificar la estructura y funciones de los sistemas desde la nanoescala a la escala de características visibles.
El laboratorio de Samuel I. Stupp publicó un artículo de 2018 en la revista Science que mostró que los materiales pueden diseñarse con moléculas altamente dinámicas programadas para migrar a largas distancias y autoorganizarse para formar paquetes de nanofibras más grandes y «superestructurados».
Ahora, un grupo de investigación dirigido por Stupp ha demostrado que estas superestructuras pueden mejorar el crecimiento de las neuronas, un hallazgo importante que podría tener implicaciones para las estrategias de trasplante de células para enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Parkinson y Alzheimer, así como la lesión de la médula espinal.
«Este es el primer ejemplo en el que hemos podido tomar el fenómeno de la reorganización molecular que informamos en 2018 y aprovecharlo para una aplicación en la medicina regenerativa»
dijo Stupp
El nuevo material se crea mezclando dos líquidos que rápidamente se vuelven rígidos como resultado de interacciones conocidas en química como complejos huésped-huésped que imitan interacciones de bloqueo de teclas entre proteínas, y también como resultado de la concentración de estas interacciones en escala micrométrica. regiones a través de una migración a gran escala de «moléculas andantes».
Las ágiles moléculas cubren una distancia miles de veces mayor que ellas para agruparse en grandes superestructuras. A escala microscópica, esta migración provoca una transformación en la estructura de lo que parece un trozo crudo de fideos ramen en paquetes en forma de cuerda.
Además, a medida que las moléculas dinámicas se mueven para formar superestructuras, se abren grandes poros que permiten que las células penetren e interactúen con señales bioactivas que pueden integrarse en los biomateriales.
Curiosamente, las fuerzas mecánicas de la impresión 3D interrumpen las interacciones anfitrión-huésped en las superestructuras y hacen que el material fluya, pero puede solidificarse rápidamente en cualquier forma macroscópica porque las interacciones se restauran espontáneamente mediante el autoensamblaje. Esto también permite la impresión 3D de estructuras con distintas capas que albergan diferentes tipos de células neuronales para estudiar sus interacciones.
La superestructura y las propiedades bioactivas del material podrían tener vastas implicaciones para la regeneración de tejidos. Las neuronas son estimuladas por una proteína en el sistema nervioso central conocida como factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), que ayuda a las neuronas a sobrevivir al promover las conexiones sinápticas y permitir que las neuronas sean más plásticas. El BDNF podría ser una terapia valiosa para pacientes con enfermedades neurodegenerativas y lesiones en la médula espinal, pero estas proteínas se degradan rápidamente en el cuerpo y son costosas de producir.
Una de las moléculas del nuevo material integra una imitación de esta proteína que activa su receptor conocido como Trkb, y el equipo descubrió que las neuronas penetran activamente en los poros grandes y pueblan el nuevo biomaterial cuando la señal mimética está presente. Esto también podría crear un entorno en el que las neuronas diferenciadas de las células madre derivadas del paciente maduran antes del trasplante.
Ahora que el equipo ha aplicado una prueba de concepto a las neuronas, Stupp cree que ahora podría penetrar en otras áreas de la medicina regenerativa aplicando diferentes secuencias químicas al material. Los cambios químicos simples en los biomateriales les permitirían proporcionar señales para una amplia gama de tejidos.
«El cartílago y el tejido cardíaco son muy difíciles de regenerar después de una lesión o un ataque cardíaco, y la plataforma podría usarse para preparar estos tejidos in vitro a partir de células derivadas de pacientes», dijo Stupp. «Estos tejidos podrían luego trasplantarse para ayudar a restaurar las funciones perdidas. Más allá de estas intervenciones, los materiales podrían usarse para construir organoides para descubrir terapias o incluso implantarse directamente en los tejidos para su regeneración, ya que son biodegradables».
El trabajo fue apoyado por el Centro de Nanomedicina Regenerativa en el Instituto Simpson Querrey de Northwestern, becas de investigación de posgrado a través de la Fundación Nacional de Ciencias y una beca de la Asociación Australiana Estadounidense.
Fuente:
Northwestern University
