Durante varios años, Leon Bellan, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Vanderbilt, ha estado jugando con máquinas de algodón de azúcar, haciéndolas girar redes de pequeños hilos comparables en tamaño, densidad y complejidad a los patrones formados por capilares:los pequeños vasos de paredes delgadas que transportan oxígeno y nutrientes a las células y transportan los desechos. Su objetivo ha sido crear redes de fibra que puedan usarse como plantillas para producir los sistemas capilares necesarios para crear órganos artificiales a gran escala ".
En un artículo publicado en línea el 4 de febrero por el Materiales avanzados de atención médica la revista, Bellan y sus colegas informan que han tenido éxito en el uso de esta técnica poco ortodoxa para producir un sistema capilar artificial tridimensional que puede mantener las células vivas viables y funcionales durante más de una semana, lo cual es una mejora dramática con respecto a los métodos actuales.
"Algunas personas en el campo piensan que este enfoque es un poco loco", dijo Bellan, "pero ahora hemos demostrado que podemos usar esta técnica simple para hacer redes microfluídicas que imiten el sistema capilar tridimensional en el cuerpo humano enuna manera amigable para las células. En general, no es tan difícil crear redes bidimensionales, pero agregar la tercera dimensión es mucho más difícil; con este enfoque, podemos hacer que nuestro sistema sea tan tridimensional como queramos "
Muchos investigadores de ingeniería de tejidos, incluido Bellan, actualmente centran sus esfuerzos en una clase de materiales similares al gel para el cabello, geles a base de agua, llamados hidrogeles, y utilizan estos materiales como andamios para soportar células dentro de órganos artificiales tridimensionales.
Los hidrogeles son atractivos porque sus propiedades pueden ajustarse para imitar estrechamente las de la matriz extracelular natural que rodea las células del cuerpo. A diferencia de los andamios de polímeros sólidos, los hidrogeles apoyan la difusión de los compuestos solubles necesarios; sin embargo, el oxígeno, los nutrientes y los desechos solo pueden difundirseuna distancia limitada a través del gel. Como resultado, las células deben estar muy cerca dentro del ancho del cabello humano de una fuente de nutrientes y oxígeno y un sumidero para los desechos que producen, de lo contrario se mueren de hambre o se asfixian.
Por lo tanto, para diseñar tejidos que tengan el grosor de los órganos reales y mantener las células vivas en todo el andamio, los investigadores deben construir una red de canales que permitan que los fluidos fluyan a través del sistema, imitando el sistema capilar natural.
Hay dos métodos básicos que usan los investigadores para crear sistemas capilares artificiales: de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo. En el proceso de abajo hacia arriba, los científicos cultivan células en una delgada placa de gel, y después de un tiempo comienzan a crear capilares espontáneamenteAunque este enfoque tiene la ventaja de la simplicidad, tiene un problema fundamental: las células pueden tardar semanas en crear dicha red. Por lo tanto, no es posible apilar las células demasiado alto o las que están en el centro comienzan a morir.antes de que se forme la red capilar crucial.
Como resultado, Bellan está utilizando un enfoque de arriba hacia abajo. Informa que su método de hilado de algodón de azúcar puede producir canales que van desde tres hasta 55 micras, con un diámetro medio de 35 micras ". Hasta ahora, el otro de arriba hacia abajolos enfoques solo han logrado crear redes con microcanales de más de 100 micras, aproximadamente diez veces el tamaño de los capilares ", dijo. Además, muchas de estas otras técnicas no pueden formar redes tan complejas como el enfoque del algodón de azúcar. El enfoque de Bellanen este uso único de una máquina de algodón de azúcar se remonta a la escuela de posgrado. En ese momento, estaba haciendo una investigación sobre el electrohilado, un proceso de fabricación de nanofibras que utilizan campos eléctricos fuertes. Fue a una conferencia sobre ingeniería de tejidos donde el orador discutió la necesidadpara crear un sistema vascular artificial para soportar células en tejido grueso diseñado. Se dio cuenta de que el electrohilado puede hacer que las redes se parezcan un poco a los capilares, pero a una escala mucho menor.
"Las analogías que todos usan para describir las fibras electrohiladas son que se ven como una cuerda tonta, o Cheese Whiz, o algodón de azúcar", dijo Bellan. "Así que decidí probar la máquina de algodón de azúcar. Fui a Target y compréuna máquina de algodón de azúcar por alrededor de $ 40. Resultó que formaba hilos que tenían aproximadamente una décima parte del diámetro de un cabello humano, aproximadamente del mismo tamaño que los capilares, para que pudieran usarse para hacer estructuras de canales en otros materiales ".Sin embargo, pasar de ese punto a crear capilares artificiales que funcionen no fue una cuestión simple. Si crea una red de fibras que usan azúcar, cuando vierte un hidrogel sobre ella, el azúcar se disuelve porque el hidrogel es principalmente agua.
Esto ilustra lo que Bellan describe como el "Catch-22" al crear tales estructuras de sacrificio. "Primero, el material tiene que ser insoluble en agua cuando haces el molde para que no se disuelva cuando viertes el gel. Luegodebe disolverse en agua para crear los microcanales porque las células solo crecerán en ambientes acuosos ", explicó. Los investigadores experimentaron con varios materiales diferentes antes de descubrir uno que funcionara. El material clave es PNIPAM, Poli N-isopropilacrilamida,un polímero con la propiedad inusual de ser insoluble a temperaturas superiores a 32 grados centígrados y soluble por debajo de esa temperatura. Además, el material se ha utilizado en otras aplicaciones médicas y ha demostrado ser bastante amigable con las células.
Los investigadores primero desarrollan una red de hilos PNIPAM usando una máquina que se parece mucho a una máquina de algodón de azúcar. Luego mezclan una solución de gelatina en agua un líquido a 37 grados y agregan células humanas, como agregar uvas a la gelatina.Agregar una enzima comúnmente utilizada en la industria alimentaria transglutaminasa, apodada "pegamento de carne" hace que la gelatina se gelifique irreversiblemente. Esta mezcla tibia se vierte sobre la estructura PNIPAM y se deja gelificar en una incubadora a 37 grados. Finalmente, el gel que contieneLas células y las fibras se retiran de la incubadora y se dejan enfriar a temperatura ambiente, en cuyo punto las fibras incrustadas se disuelven, dejando atrás una intrincada red de canales de microescala. Luego, los investigadores conectan las bombas a la red y comienzan a perfundirlas con medios de cultivo celular queproductos químicos necesarios y oxígeno.
"Nuestros experimentos muestran que, después de siete días, el 90 por ciento de las células en un andamio con microcanales perfundidos permanecieron vivos y funcionales en comparación con solo el 60 al 70 por ciento en andamios que no estaban perfundidos o no tenían microcanales", informó Bellan.
Ahora que Bellan y su equipo han demostrado que esta técnica funciona, la ajustarán para que coincida con las características de las redes de vasos pequeños en diferentes tipos de tejidos y explorarán una variedad de tipos de células.
"Nuestro objetivo es crear una 'caja de herramientas' básica que permita a otros investigadores utilizar este enfoque simple y de bajo costo para crear la vasculatura artificial necesaria para sostener hígados, riñones, huesos y otros órganos artificiales", dijo Bellan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David F Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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