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Tejidos que se construyen solos
Las células recubiertas con trozos pegajosos de ADN pueden autoensamblarse en microestructuras tridimensionales funcionales. Este enfoque de abajo hacia arriba para la ingeniería de tejidos, desarrollado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley, proporciona una nueva solución a uno de los mayores problemas del campo: la creación de tejidos multicelulares con estructuras definidas. A diferencia de los métodos de arriba hacia abajo, en los que los científicos construyen estructuras celulares en andamios, la nueva técnica permite a los ingenieros de tejidos dictar las interacciones geométricas precisas de las células individuales.
Doble problema: Dos grupos se han unido para formar un microtisido más grande y estructuralmente más complejo. Al ajustar las variables y agregar celdas en iteraciones sucesivas, los investigadores esperan generar ensamblajes cada vez más sofisticados.
Los investigadores comenzaron con dos tipos de células: una que secreta una proteína, llamada factor de crecimiento, que la otra necesita para crecer. Coautor Zev Gartner , ahora químico farmacéutico de la Universidad de California en San Francisco, decoró las células con fragmentos de ADN monocatenario, unidos mediante azúcares especializados incorporados en la membrana celular. Los dos tipos de células llevaban hebras complementarias de ADN, que actuaban como una especie de velcro. Cuando se combinaron las diferentes células, sus fragmentos de ADN complementarios se unieron en cadenas dobles, uniendo las células. Unidas a sus socios productores de proteínas, las células dependientes de proteínas prosperan. Sin el recubrimiento de ADN, los dos tipos de células no pueden comunicarse y las células dependientes mueren.
Al variar las concentraciones relativas de los dos tipos de células, los investigadores pudieron maniobrar las células en configuraciones particulares. Por ejemplo, cuando las células se combinaron en una proporción de uno a uno, simplemente formaron pares. Pero cuando las células dependientes del factor de crecimiento superaron ampliamente a sus contrapartes, formaron agrupaciones tridimensionales características con una sola célula secretora de factor de crecimiento en el centro. Los resultados aparecieron el lunes en la primera edición en línea de procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Este enfoque proporciona una nueva forma de recrear la complejidad del tejido, dice Ali Khademhosseini , profesor asistente de la División de Ciencias y Tecnología de la Salud de Harvard-MIT y de la Facultad de Medicina de Harvard, que no participó en el estudio. La mayoría de los métodos de ingeniería de tejidos producen estructuras tridimensionales con la ayuda de materiales de andamio.
Una vez que se formaron las microestructuras, Gartner y su colega Carolyn Bertozzi , director de la instalación de investigación de nanociencia de Molecular Foundry en Berkeley Lab, los atrapó en un gel y los fotografió en tres dimensiones utilizando un microscopio de fluorescencia. Debido a que el ADN de la superficie celular no es estable a largo plazo, aún no está claro cuánto tiempo se mantendrán las estructuras por sí solas. Los investigadores actualmente están investigando si las células unidas comenzarán a generar sus propias moléculas de adhesión natural para mantenerlas unidas una vez que los enlaces de ADN desaparezcan.
Hasta ahora, estas microestructuras son rudimentarias, lejos de la sofisticación estructural de un órgano completo. Pero al ajustar la proporción de tipos de células, la densidad del ADN en las superficies de las células y la complejidad de las secuencias de ADN, Gartner y Bertozzi esperan construir ensamblajes más grandes e intrincados. Al jugar con estas variables, podemos sesgar el tipo de estructura que estamos haciendo, dice Gartner.
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Velcro celular: En un nuevo enfoque de la ingeniería de tejidos de abajo hacia arriba, dos tipos de células diferentes se ensamblan espontáneamente en microestructuras tridimensionales como esta cuando sus superficies están tachonadas con hebras únicas pegajosas de ADN. Debido a que el ADN de los glóbulos rojos es complementario al de las células verdes, naturalmente se adhieren entre sí, manteniendo las células muy próximas.
Crédito: Bertozzi Lab
Si bien este nuevo método no es el primero en abordar la ingeniería de tejidos de abajo hacia arriba, Gartner dice que es el único capaz de una resolución lo suficientemente fina como para definir cómo las células individuales interactúan con sus vecinas. E incluso si esta técnica resulta no escalar bien, dice, en principio podría proporcionar bloques de construcción estructurales para su uso en otros enfoques ascendentes emergentes, como la impresión de tejidos capa por capa o la manipulación láser.
Khademhosseini dice que es demasiado pronto para decir si la nueva técnica eventualmente producirá tejidos adecuados para su uso en medicina regenerativa. Tiene mucho potencial y puede proporcionar terapias en el futuro, pero es necesario superar otros desafíos para hacer un producto clínicamente viable, dice. Por ejemplo, queda por ver de dónde vendrían las células para hacer crecer el tejido y cómo el cuerpo generaría nuevos vasos sanguíneos para alimentar el tejido trasplantado.
Dan Dimitrijevich , director de los Laboratorios de Ingeniería Celular y de Tejidos Humanos del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad del Norte de Texas, es más escéptico. Duda que el nuevo enfoque sea capaz de generar tejidos estables, seguros y funcionales que se mantengan cuando se trasplantan a un organismo vivo real. Es una ciencia interesante, dice, pero en lo que respecta a la ingeniería de tejidos, es realmente estresante.
Incluso si no funciona en términos de medicina regenerativa, Gartner cree que la técnica podría resultar útil como herramienta para estudiar cómo se comunican los diferentes tipos de células, por ejemplo, en el proceso de generar un tumor. Esto ahora nos da una nueva herramienta para sacar estas estructuras de un huésped humano, donde obviamente son muy difíciles de estudiar por una serie de razones técnicas y éticas, y ponerlas en un matraz donde podamos estudiarlas en detalle durante mucho tiempo. períodos de tiempo, dice.