En su trabajo hacia la impresión en 3-D de tejidos y órganos trasplantables, los bioingenieros y científicos de la Universidad de Rice y el Colegio de Medicina Baylor han demostrado un paso clave en el camino para generar tejidos implantables con capilares funcionales.
en un artículo publicado en línea en la revista Ciencia de biomateriales , un equipo de los laboratorios del bioingeniero de Rice Jordan Miller y la biofísica del Baylor College of Medicine Mary Dickinson mostraron cómo usar una combinación de células endoteliales humanas y células madre mesenquimales para iniciar un proceso llamado tubulogénesis que es crucial para la formación de sangre.transporte de capilares.
El trabajo es un paso importante con las células endoteliales frágiles CE hechas de "células madre pluripotentes inducidas", o iPSC, un tipo de célula que potencialmente se puede hacer de las células de cualquier paciente humano.Específicamente, los investigadores esperan encontrar formas de usarlos para generar tejidos y órganos de reemplazo que puedan ser trasplantados sin riesgo de rechazo por parte del sistema inmunitario del paciente, pero la fragilidad de las células endoteliales durante el crecimiento de laboratorio ha limitado la utilización de este tipo de células críticas.se encuentra en toda la vasculatura.
"Nuestro trabajo tiene importantes implicaciones terapéuticas porque demostramos la utilización de células humanas y la capacidad de controlar en vivo su potencial de tubulogénesis a medida que forman redes de vasos primitivos", dijo la autora principal del estudio, Gisele Calderon, estudiante graduada en Ingeniería de Sistemas Fisiológicos de Miller yLaboratorio de Materiales Avanzados.
"Hemos confirmado que estas células tienen la capacidad de formar estructuras capilares, tanto en un material natural llamado fibrina como en un material semisintético llamado metacrilato de gelatina o GelMA", dijo Calderón. "El hallazgo de GelMA es particularmente interesanteporque es algo que podemos imprimir fácilmente en 3-D para futuras aplicaciones de ingeniería de tejidos "
La ingeniería de tejidos, también conocida como medicina regenerativa, es un campo destinado a integrar los avances en la biología de las células madre y la ciencia de los materiales para desarrollar tejidos y órganos de reemplazo trasplantables. Mientras que los ingenieros de tejidos han encontrado docenas de formas de convencer a las células madre para que formen tipos específicos decélulas y tejidos, todavía no pueden crecer tejidos con vasculatura: capilares y los vasos sanguíneos más grandes que pueden suministrar sangre a los tejidos. Sin vascularización, los tejidos de más de unos pocos milímetros de espesor morirán debido a la falta de nutrientes, por lo queencontrar una manera de cultivar tejidos con vasos sanguíneos es uno de los avances más buscados en el campo.
Miller, quien obtuvo su doctorado en Rice en 2008, ha estudiado la vascularización en ingeniería de tejidos durante más de 14 años. Durante sus estudios posdoctorales en la Universidad de Pensilvania, también se involucró mucho en el 3-D movimiento de impresión, y su trabajo en Rice combina ambos.
"En última instancia, nos gustaría imprimir en 3-D con células vivas, un proceso conocido como bioimpresión en 3-D, para crear tejidos completamente vascularizados para aplicaciones terapéuticas", dijo Miller, profesor asistente de bioingeniería. "Para llegar allí,Tenemos que comprender mejor los aspectos mecánicos y fisiológicos de la formación de nuevos vasos sanguíneos y las formas en que la bioimpresión impacta esos procesos. Estamos utilizando la bioimpresión en 3-D para construir tejidos con grandes vasos que podemos conectar a las bombas, e estamos integrando esa estrategiacon estos iPS-EC para ayudarnos a formar los capilares más pequeños para nutrir mejor el nuevo tejido ".
Cada uno de los billones de células vivas en el cuerpo humano recibe constantemente oxígeno y nutrientes a través de pequeños vasos sanguíneos conocidos como capilares. Al medir unas pocas milésimas de milímetro de diámetro, algunos capilares son tan estrechos que las células sanguíneas individuales deben exprimirsea través de ellos en una sola fila. Los capilares están hechos completamente de redes de células endoteliales, el tipo de célula que recubre la superficie interna de cada vaso sanguíneo en el cuerpo humano.
En el proceso de tubulogénesis, el primer paso para hacer capilares, las células endoteliales sufren una serie de cambios. Primero, forman pequeñas cámaras vacías llamadas vacuolas, y luego se conectan con las células vecinas, uniendo las vacuolas para formartubos con revestimiento endotelial que eventualmente pueden convertirse en capilares.
"Esperamos que nuestros hallazgos beneficien a los estudios biológicos de vasculogénesis y tendrán aplicaciones en ingeniería de tejidos para prevascularizar construcciones de tejidos que se fabrican con foto-patrones avanzados e impresión tridimensional", dijo Dickinson, Kyle y Josephine Morrow Chair en MolecularFisiología y biofísica en el Baylor College of Medicine y profesor adjunto de bioingeniería en Rice.
En el estudio, Calderón, Patricia Thai, estudiante de Rice, y sus colegas investigaron si las células endoteliales disponibles comercialmente cultivadas a partir de iPSC tenían potencial tubulogénico. La prueba examinó este potencial en dos tipos de geles semisólidos: fibrina y GelMA. Finalmente, los investigadores también investigaronsi un segundo tipo de célula madre, las células madre mesenquimales humanas, podría mejorar la probabilidad de tubulogénesis.
Calderón dijo que la fibrina fue elegida para el experimento porque es un material natural que se sabe que induce tubulogénesis para la curación de heridas. Como tal, los investigadores esperaban que las células endoteliales fueran inducidas a formar túbulos en fibrina.
Calderón dijo que el primer paso en los experimentos fue desarrollar un reportero de lentivirus de tercera generación para modificar genéticamente las células para producir dos tipos de proteínas fluorescentes, una ubicada solo en el núcleo y otra en toda la célula. Esta modificación genética permanente permitióequipo para observar de manera no invasiva la morfología celular y también identificar la acción de cada célula individual para mediciones cuantitativas posteriores. Luego, las células se mezclaron con fibrina y se incubaron durante una semana. Varias veces al día, Calderón y Thai utilizaron microscopios para fotografiar las muestras en crecimientoGracias a los dos marcadores fluorescentes, las imágenes de lapso de tiempo revelaron cómo las células progresaban en su odisea tubulogénica.
Calderón realizó una microscopía confocal avanzada en las instalaciones del Centro de imágenes ópticas y microscopía vital del Baylor College of Medicine. Calderón y Thai utilizaron un software de código abierto llamado FARSIGHT para analizar cuantitativamente los patrones de crecimiento en 3-D y el carácter de desarrollo de las redes tubulogenéticasen cada muestra. En fibrina, el equipo encontró una sólida formación de túbulos, como se esperaba. También encontraron que las células endoteliales tenían más dificultades para formar túbulos viables en GelMA, una mezcla de colágeno desnaturalizado que se modificó químicamente con metacrilatos para permitir una fotopolimerización rápida.
Calderón dijo que durante varios meses y docenas de experimentos, el equipo desarrolló un flujo de trabajo para producir tubulogénesis robusta en GelMA. Esto implicaba agregar células madre mesenquimales, otro tipo de células madre humanas adultas que previamente habían demostrado estabilizar la formación de túbulos.
Miller dijo que si bien se espera que las aplicaciones clínicas de la bioimpresión en 3-D avancen rápidamente en las próximas décadas, incluso pequeñas muestras de tejido con redes capilares en funcionamiento podrían ser utilizadas mucho más rápidamente para aplicaciones de laboratorio como pruebas de drogas.
"Podría prever el uso de estos tejidos impresos tridimensionales para proporcionar una representación más precisa de cómo nuestros cuerpos responderán a un medicamento", dijo Miller. "Las pruebas preclínicas en humanos de nuevos medicamentos hoy en día se realizan con humanos planos bidimensionalescultivos de tejidos. Pero es bien sabido que las células a menudo se comportan de manera diferente en los tejidos tridimensionales que en los cultivos bidimensionales. Existe la esperanza de que probar medicamentos en cultivos tridimensionales más realistas disminuirá los costos generales de desarrollo de fármacos. Y el potencialconstruir construcciones de tejido hechas a partir de un paciente en particular representa el banco de pruebas definitivo para la medicina personalizada. Podríamos analizar docenas de cócteles de drogas potenciales en este tipo de muestra de tejido generada para identificar candidatos que funcionarán mejor para ese paciente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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