Imagínese si los cirujanos pudieran trasplantar neuronas sanas a pacientes que viven con enfermedades neurodegenerativas o lesiones cerebrales y de la médula espinal. E imagine si pudieran "hacer crecer" estas neuronas en el laboratorio a partir de las propias células de un paciente utilizando un material sintético altamente bioactivo que sea adecuadopara impresión 3D.
Al descubrir un nuevo biomaterial imprimible que puede imitar las propiedades del tejido cerebral, los investigadores de la Universidad Northwestern están ahora más cerca de desarrollar una plataforma capaz de tratar estas afecciones mediante la medicina regenerativa.
Un ingrediente clave del descubrimiento es la capacidad de controlar los procesos de autoensamblaje de las moléculas dentro del material, lo que permite a los investigadores modificar la estructura y funciones de los sistemas desde la nanoescala a la escala de características visibles. El laboratorio de SamuelI. Stupp publicó un artículo de 2018 en la revista ciencia que mostró que los materiales pueden diseñarse con moléculas altamente dinámicas programadas para migrar a largas distancias y autoorganizarse para formar haces de nanofibras más grandes y "superestructurados".
Ahora, un grupo de investigación dirigido por Stupp ha demostrado que estas superestructuras pueden mejorar el crecimiento de las neuronas, un hallazgo importante que podría tener implicaciones para las estrategias de trasplante de células para enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Parkinson y Alzheimer, así como la lesión de la médula espinal.
"Este es el primer ejemplo en el que hemos podido tomar el fenómeno de la reorganización molecular que informamos en 2018 y aprovecharlo para una aplicación en la medicina regenerativa", dijo Stupp, autor principal del estudio y director de Northwestern'sSimpson Querrey Institute. "También podemos utilizar construcciones del nuevo biomaterial para ayudar a descubrir terapias y comprender patologías".
Un pionero del autoensamblaje supramolecular, Stupp también es profesor de la Junta de Fideicomisarios de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica y ocupa cargos en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg, la Escuela de Ingeniería McCormick y la FeinbergEscuela de Medicina.
El artículo fue publicado hoy 22 de febrero en la revista ciencia avanzada .
Moléculas andantes e impresión 3D
El nuevo material se crea mezclando dos líquidos que rápidamente se vuelven rígidos como resultado de interacciones conocidas en química como complejos huésped-huésped que imitan interacciones de bloqueo de teclas entre proteínas, y también como resultado de la concentración de estas interacciones en micrones-escalar regiones a través de una migración a gran escala de "moléculas andantes".
Las ágiles moléculas cubren una distancia miles de veces más grande que ellas mismas para agruparse en grandes superestructuras. A escala microscópica, esta migración provoca una transformación en la estructura de lo que parece un trozo crudo de fideos ramen en paquetes parecidos a cuerdas.
"Los biomateriales típicos utilizados en medicina, como los hidrogeles poliméricos, no tienen la capacidad de permitir que las moléculas se autoensamblen y se muevan dentro de estos ensamblajes", dijo Tristan Clemons, investigador asociado en el laboratorio Stupp y co-primer autor deldocumento con Alexandra Edelbrock, una ex estudiante de posgrado del grupo. "Este fenómeno es exclusivo de los sistemas que hemos desarrollado aquí".
Además, a medida que las moléculas dinámicas se mueven para formar superestructuras, se abren grandes poros que permiten que las células penetren e interactúen con señales bioactivas que pueden integrarse en los biomateriales.
Curiosamente, las fuerzas mecánicas de la impresión 3D interrumpen las interacciones anfitrión-huésped en las superestructuras y hacen que el material fluya, pero puede solidificarse rápidamente en cualquier forma macroscópica porque las interacciones se restauran espontáneamente mediante el autoensamblaje. Esto también permite laImpresión 3D de estructuras con distintas capas que albergan diferentes tipos de células neuronales para estudiar sus interacciones.
señalización del crecimiento neuronal
La superestructura y las propiedades bioactivas del material podrían tener vastas implicaciones para la regeneración tisular. Las neuronas son estimuladas por una proteína en el sistema nervioso central conocida como factor neurotrófico derivado del cerebro BDNF, que ayuda a las neuronas a sobrevivir al promover las conexiones sinápticas y permitirneuronas para ser más plásticas. El BDNF podría ser una terapia valiosa para pacientes con enfermedades neurodegenerativas y lesiones en la médula espinal, pero estas proteínas se degradan rápidamente en el cuerpo y son costosas de producir.
Una de las moléculas del nuevo material integra un imitador de esta proteína que activa su receptor conocido como Trkb, y el equipo descubrió que las neuronas penetran activamente en los poros grandes y pueblan el nuevo biomaterial cuando la señal mimética está presente. Esto también podríacrear un entorno en el que las neuronas diferenciadas de las células madre derivadas del paciente maduran antes del trasplante.
Ahora que el equipo ha aplicado una prueba de concepto a las neuronas, Stupp cree que ahora podría penetrar en otras áreas de la medicina regenerativa aplicando diferentes secuencias químicas al material. Los cambios químicos simples en los biomateriales les permitirían proporcionar señales para unamplia gama de tejidos.
"El cartílago y el tejido cardíaco son muy difíciles de regenerar después de una lesión o un ataque cardíaco, y la plataforma podría usarse para preparar estos tejidos in vitro a partir de células derivadas del paciente", dijo Stupp. Estos tejidos podrían luego trasplantarse para ayudar a restaurarfunciones perdidas. Más allá de estas intervenciones, los materiales podrían usarse para construir organoides para descubrir terapias o incluso implantarse directamente en los tejidos para su regeneración, ya que son biodegradables ".
El trabajo fue apoyado por el Centro de Nanomedicina Regenerativa del Instituto Simpson Querrey de Northwestern, becas de investigación de posgrado a través de la Fundación Nacional de Ciencias y una beca de la Asociación Australiana Estadounidense.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Northwestern . Original escrito por Lila Reynolds. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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