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Mini laboratorios de células madre
Las terapias con células madre a menudo se promocionan como el futuro de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa. Pero uno de los desafíos para desarrollar este tipo de terapias es crear un entorno en el que las células madre puedan crecer. Un obstáculo adicional implica el diseño de un vehículo para entregar células madre a su objetivo, sin ser detectadas por el sistema inmunológico del cuerpo. Ahora, los científicos de la Universidad Northwestern han diseñado un laboratorio en miniatura en forma de un pequeño saco parecido a un gel. Cultivaron con éxito células madre dentro del saco, entregando proteínas y nutrientes a las células a través de la membrana del saco. Los investigadores dicen que el saco puede actuar como un sistema de administración de células madre y otros medicamentos, protegiéndolos hasta que alcancen su objetivo. Samuel Stupp , investigador principal y profesor del consejo de administración de ciencia e ingeniería de materiales, química y medicina en Northwestern, dice que el descubrimiento puede tener aplicaciones prometedoras en la terapia celular y la medicina regenerativa.
Mini laboratorio: Este pequeño saco, hecho de una combinación de polímero y soluciones moleculares, puede encapsular instantáneamente las células madre. El saco puede usarse como un laboratorio en miniatura donde las células madre pueden crecer, o como un vehículo de administración de varios medicamentos, protegiéndolos de la respuesta inmune del cuerpo hasta que el saco alcanza su objetivo.
Podría trasplantar estos sacos dentro de un paciente, dice Stupp. Y en el saco, las células estarían protegidas, hasta que se establecieran más en un órgano o tejido. Entonces el saco debería poder biodegradarse.
El equipo desarrolló el saco después de meses de mezclar varias soluciones moleculares.
Cuando mezclábamos soluciones, a veces obteníamos una solución turbia o precipitados, pero nada que nos pareciera interesante, dice Stupp. Y un buen día, mi postdoctorado entró en mi oficina con un saco y supe que teníamos algo bueno. Y luego pasamos más de un año tratando de entender qué sucedió.
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Vea cómo se hacen y suturan los sacos.
Los investigadores desarrollaron el saco a partir de una combinación de dos moléculas: un péptido anfófilo (PA), una molécula sintética que el laboratorio de Stupp desarrolló hace siete años, y el ácido hialurónico (HA), una molécula que se encuentra en las articulaciones y el cartílago. El equipo primero vertió la solución de PA en un frasco grande y luego agregó la solución de HA. Casi instantáneamente, los dos líquidos comenzaron a solidificarse en el punto de contacto.
A medida que Stupp observó la interacción más de cerca, descubrió que las moléculas de PA más ligeras rodeaban las moléculas de HA, sellándolas para crear una sola bolsa o saco. Curiosamente, el saco continuó creciendo incluso después de su formación, expandiéndose y creando una membrana más gruesa cuanto más tiempo permanecía en solución. Los investigadores detuvieron su crecimiento simplemente quitando el saco del vial con un par de pinzas.
Pero, ¿por qué exactamente estas moléculas interactúan con tanta fuerza? Stupp explica que las moléculas de PA están particularmente preparadas para formar estructuras sólidas. En solución líquida, las moléculas de PA tienen una carga positiva uniforme, esencialmente se repelen entre sí y permanecen en forma líquida. Sin embargo, tan pronto como entra en contacto con una solución cargada negativamente como HA, las moléculas de PA no se repelen tanto y automáticamente comienzan a formar fibras a nanoescala.
Esta es una reacción muy potente, dice Stupp. Estas moléculas quieren cristalizar, y cuando ven ácido hialurónico, tejen un tejido de fibras en el plano de contacto entre los líquidos.
Es más, después de que se forma el saco, crea un gran desequilibrio en la carga eléctrica, que actúa para bombear cualquier HA añadido a través de la membrana del saco. Esta acción de bombeo pone más moléculas de HA en contacto con moléculas de PA y, como resultado, el equipo descubrió que el saco continuó creciendo durante hasta cuatro días en solución. Stupp dice que el equipo puede adaptar el tamaño y el grosor del saco simplemente dejándolo en solución durante varios períodos de tiempo.
En una segunda ronda de experimentos, el equipo combinó células madre con la solución de HA y luego vertió la mezcla en un vial con moléculas de PA. Esta vez, las moléculas de PA encapsularon tanto las moléculas de HA como las células madre. Los investigadores agregaron proteínas específicas a la solución y encontraron que penetraban la membrana del saco a pesar de su grosor. Estas proteínas estimularon a las células madre para que se diferenciaran en cartílago, creando efectivamente un laboratorio de células madre en miniatura dentro del saco.
Stupp dice que tales sacos pueden proporcionar entornos seguros y cerrados en los que cultivar células madre antes de trasplantarlas al cuerpo. Además, aunque las proteínas pudieron atravesar la membrana del saco, Stupp dice que las células inmunes serían demasiado grandes para penetrar, lo que evitaría que el saco y su contenido se destruyan antes de que puedan actuar sobre su objetivo.
Stupp dice que, como vehículo de entrega, los sacos se pueden hacer lo suficientemente pequeños para viajar a través del torrente sanguíneo, o lo suficientemente robustos como para suturarlos en un tejido u órgano objetivo.
El próximo año, el equipo planea cultivar otras células dentro de estos sacos y estudiar el crecimiento de tumores, por ejemplo, en reacción a fármacos o moléculas específicas.
También puede tener colonias de diferentes células en diferentes sacos juntos, una frambuesa de sacos, y puede exponerlos a múltiples señales, dice Stupp. Lo que podría ser valioso en biología celular, estudiando señales entre células en un entorno tridimensional.
James Baker , director del Instituto de Medicina y Ciencias Biológicas de Nanotecnología de Michigan, dice que el descubrimiento del equipo puede tener implicaciones importantes en la ingeniería de tejidos. Una gran ventaja es la capacidad de organizar potencialmente las células en estructuras únicas, dice. Ofrece el potencial para desarrollar estructuras tisulares especializadas ... un logro muy impresionante.