IEs relativamente fácil cultivar células en el laboratorio, pero convertirlas en modelos realistas de tejido humano es más difícil. Para ello es necesario crear un entorno que refleje fielmente las condiciones de la matriz extracelular (ECM) del cuerpo, el andamiaje molecular que sostiene las células. Los bioingenieros han intentado diseñar materiales que imiten las características de la ECM, incluida su rigidez, densidad y adherencia, y un material prometedor ha sido el hidrogel, una red de polímero blando llena principalmente de agua.
Aunque las células crecen sin problemas en hidrogeles y el material se puede adaptar al contexto que se está modelando, algunos aspectos de la estructura de la matriz extracelular son difíciles de recrear. Por ejemplo, en algunos tejidos, la Las fibras que forman el ECM están alineadas en paralelo para alentar a las células a alinearse y moverse en una dirección específica.1 En un hidrogel, las fibras normalmente no muestran dicha coordinación, lo que dificulta el crecimiento de tejidos que requieren esta estructura lineal.
En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Rice describieron una nuevo biomaterial hecho de nanofibras peptídicas que se autoensamblan en un hidrogel alineado.2 El equipo utilizó sal para controlar el grado de alineación de las fibras del hidrogel y descubrió que esto influía en la alineación de las células que crecían en el material. Estos hallazgos indican que el nuevo hidrogel podría ser un andamiaje prometedor para construir modelos de tejido más realistas en el laboratorio.
“La motivación es que si colocamos células sobre un material alineado, las células detectarán la alineación y se alinearán por sí solas”, dijo. Adán Farsheedun bioingeniero que dirigió el trabajo. “Es una especie de material instructivo que aprovecha la forma natural de las células [of sensing] Cómo alinearse.”
Para los componentes básicos de este material, Farsheed recurrió a un péptido llamado K2que sus colegas en Jeffrey HartgerinkEl laboratorio de había sido diseñado 15 años antes.3 La química del péptido le permite autoensamblarse en nanofibras que forman un hidrogel cuando se mezcla con una solución salina. Debido a que el hidrogel está compuesto principalmente de agua y sal, que constituyen el 97 por ciento del material, imita la composición del cuerpo humano.
Farsheed utilizó una pipeta para introducir K2 en la solución salina, formando así “fideos” largos de fibras de hidrogel, pero aún necesitaba una estrategia para ajustar la alineación de las nanofibras. Se dio cuenta de que podía lograrlo variando el nivel de sal en la solución: cuanto más sal había, más fibras se alineaban.
Esto ofrece un método simple para crear un mejor modelo de laboratorio de cómo crecen las células en la matriz extracelular, lo que históricamente ha sido difícil de hacer, según Darrin Pochanun científico de materiales de la Universidad de Delaware que no participó en el estudio. “Para realizar estudios de alineación, la mayoría de las personas tienen que idear un sustrato completamente artificial que no sea realmente transferible a un experimento de ingeniería de tejidos”, dijo. “Esto es mucho más natural”.
Con diferentes niveles de sal, las nanofibras del hidrogel pueden adoptar diferentes niveles de alineación.
Adán Farsheed
A continuación, Farsheed y sus colegas probaron cómo crecían las células en este material. Hicieron versiones del hidrogel con diferentes niveles de alineación y luego añadieron células de corazón de cerdo, que se sabe que se reorientan según la alineación de su matriz extracelular. Como esperaba Farsheed, las células solo estaban parcialmente alineadas en geles con fibras menos alineadas, que más se parecían a la matriz extracelular del cerebro. En los geles con fibras moderadamente organizadas, que imitaban la matriz extracelular que se encuentra en el músculo, las células se alinearon más. Sin embargo, se sorprendió al ver que en los hidrogeles más alineados, las células no se alineaban en absoluto con las fibras.
“Es un resultado realmente interesante y nada intuitivo”, dijo Pochan. “Este es uno de esos artículos que establece un estándar para el campo: es necesario comprender cuán alineada está la nanoestructura porque eso tiene un gran efecto en el comportamiento de las células”.
Al inspeccionar los geles con un microscopio electrónico, Farsheed se dio cuenta de que las fibras de los hidrogeles más alineados podrían restringir la movilidad de las células mientras intentaban realinear sus cuerpos. “Nuestro material estaba tan alineado y tan compactado que las células no podían tirar de él físicamente”, dijo.
Pochan siente curiosidad por saber cómo se adaptará el hidrogel a la ingeniería de tejidos, especialmente por saber cuán resistente es a la adición de otras moléculas necesarias para el crecimiento de tipos específicos de células. La primera prueba de Farsheed consistirá en utilizar el gel para construir mejores estructuras para modelos de nervios periféricos. Con una estructura no alineada, los nervios cultivados en el laboratorio terminan orientados en todas direcciones, lo que no se parece a los circuitos neuronales que se encuentran en el cuerpo. Esto, a su vez, dificulta que los investigadores utilicen el modelo para probar los efectos reales de los medicamentos, por ejemplo. Farsheed espera que una estructura alineada permita obtener modelos más realistas de tejido nervioso.
Para lograr esto, no basta con cocinar fideos peptídicos unidimensionales; Farsheed ahora está experimentando con el uso de impresión 3D para convertir este hidrogel en estructuras más complejas que se asemejan a los troncos de Lincoln o al Chex.
“Si podemos crear estas estructuras más complejas, entonces podremos empezar a diseñar patrones celulares de formas más complicadas que comiencen a tener una estructura que se parezca y actúe como los tejidos del cuerpo”, dijo Farsheed.
Referencias
1. Petrie RJ, y col. Migración celular aleatoria versus migración celular persistente direccional. Nat Rev Mol Biología celular. 2009;10(8):538-549.
2. Farsheed AC, y otros. Alineación macroscópica ajustable de nanofibras peptídicas autoensamblables. Nano ACS. 2024;18(19):12477-12488.
3. Aulisa L, et al. Autoensamblaje de péptidos multidominio: la variación de secuencia permite controlar la reticulación y la viscoelasticidad. Biomacromoléculas. 2009;10(9):2694-2698.