Los investigadores desarrollan una técnica para modificar polímeros biológicos con mensajes bioquímicos basados ​​en proteínas.



Imagine ir a un cirujano para que le cambien un órgano enfermo o lesionado por un reemplazo completamente funcional desarrollado en laboratorio. Esto sigue siendo ciencia ficción y no realidad porque los investigadores de hoy luchan por organizar las células en los complejos arreglos tridimensionales que nuestros cuerpos pueden dominar por sí mismos.

Hay dos obstáculos importantes que superar en el camino hacia los órganos y tejidos cultivados en laboratorio. La primera es utilizar un andamio 3D biológicamente compatible en el que las células puedan crecer. El segundo es decorar ese andamio con mensajes bioquímicos en la configuración correcta para desencadenar la formación del órgano o tejido deseado.

En un paso importante hacia la transformación de esta esperanza en realidad, los investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una técnica para modificar polímeros biológicos naturales con mensajes bioquímicos basados ​​en proteínas que afectan el comportamiento celular. Su enfoque, publicado la semana del 18 de enero en Proceedings of the National Academy of Sciences, utiliza un láser de infrarrojo cercano para desencadenar la adhesión química de los mensajes de proteínas a un andamio hecho de polímeros biológicos como el colágeno, un tejido conectivo que se encuentra en todo nuestro cuerpos.

Las células de mamíferos respondieron como se esperaba a las señales de proteínas adheridas dentro del andamio 3D, según el autor principal Cole DeForest, profesor asociado de ingeniería química y bioingeniería de la Universidad de Washington. Las proteínas en estos andamios biológicos desencadenaron cambios en las vías de mensajería dentro de las células que afectan el crecimiento celular, la señalización y otros comportamientos.

Estos métodos podrían formar la base de andamios de base biológica que algún día podrían hacer realidad los tejidos funcionales cultivados en laboratorio, dijo DeForest, quien también es miembro de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington y del Instituto de Medicina Regenerativa y Células Madre de la Universidad de Washington. .

Este enfoque nos brinda las oportunidades que estábamos esperando para ejercer un mayor control sobre la función celular y el destino en biomateriales derivados de forma natural, no solo en el espacio tridimensional sino también a lo largo del tiempo. Además, hace uso de fotoquímicas excepcionalmente precisas que se pueden controlar en 4D y, al mismo tiempo, preservan de forma única la función y la bioactividad de las proteínas “.

Cole DeForest, profesor asociado de ingeniería química y bioingeniería de la UW

Los colegas de DeForest en este proyecto son el autor principal Ivan Batalov, ex investigador postdoctoral de la UW en ingeniería química y bioingeniería, y la coautora Kelly Stevens, profesora asistente de bioingeniería y de medicina y patología de laboratorio de la UW.

Su método es una novedad en el campo, ya que controla espacialmente la función celular dentro de materiales biológicos naturales en oposición a los que se derivan sintéticamente. Varios grupos de investigación, incluido el de DeForest, han desarrollado métodos basados ​​en la luz para modificar los andamios sintéticos con señales de proteínas. Pero los polímeros biológicos naturales pueden ser un andamio más atractivo para la ingeniería de tejidos porque poseen de forma innata características bioquímicas de las que dependen las células para su estructura, comunicación y otros fines.

“Un biomaterial natural como el colágeno incluye de forma inherente muchas de las mismas señales de señalización que se encuentran en el tejido nativo”, dijo DeForest. “En muchos casos, este tipo de materiales mantienen a las células ‘más felices’ al proporcionarles señales similares a las que encontrarían en el cuerpo”.

Trabajaron con dos tipos de polímeros biológicos: colágeno y fibrina, una proteína involucrada en la coagulación de la sangre. Reunieron cada uno en andamios llenos de líquido conocidos como hidrogeles.

Las señales que el equipo agregó a los hidrogeles son proteínas, uno de los principales mensajeros de las células. Las proteínas vienen en muchas formas, todas con sus propias propiedades químicas únicas. Como resultado, los investigadores diseñaron su sistema para emplear un mecanismo universal para unir proteínas a un hidrogel: la unión entre dos grupos químicos, una alcoxiamina y un aldehído. Antes del ensamblaje del hidrogel, decoraron los precursores de colágeno o fibrina con grupos alcoxiamina, todos bloqueados físicamente con una “jaula” para evitar que las alcoxiaminas reaccionen prematuramente. La jaula se puede quitar con luz ultravioleta o con un láser de infrarrojo cercano.

Utilizando métodos previamente desarrollados en el laboratorio de DeForest, los investigadores también instalaron grupos de aldehídos en un extremo de las proteínas que querían unir a los hidrogeles. Luego combinaron las proteínas que contienen aldehído con los hidrogeles recubiertos con alcoxiamina y usaron un breve pulso de luz para quitar la jaula que cubría la alcoxiamina. La alcoxiamina expuesta reaccionó fácilmente con el grupo aldehído de las proteínas, atándolas dentro del hidrogel. El equipo usó máscaras con patrones cortados en ellas, así como cambios en las geometrías de escaneo láser, para crear patrones intrincados de arreglos de proteínas en el hidrogel, incluido un antiguo logotipo de la Universidad de Washington, Space Needle de Seattle, un monstruo y el diseño en 3D del corazón humano.

Las proteínas unidas eran completamente funcionales, entregando las señales deseadas a las células. Las células de hígado de rata, cuando se cargaron en hidrogeles de colágeno que contienen una proteína llamada EGF, que promueve el crecimiento celular, mostraron signos de replicación del ADN y división celular. En un experimento separado, los investigadores decoraron un hidrogel de fibrina con patrones de una proteína llamada Delta-1, que activa una vía específica en las células llamada señalización Notch. Cuando introdujeron células de cáncer de hueso humano en el hidrogel, las células en las regiones con patrón Delta-1 activaron la señalización Notch, mientras que las células en áreas sin Delta-1 no lo hicieron.

Estos experimentos con múltiples andamios biológicos y señales de proteínas indican que su enfoque podría funcionar para casi cualquier tipo de señal de proteína y sistema de biomaterial, dijo DeForest.

“Ahora podemos comenzar a crear andamios de hidrogel con muchas señales diferentes, utilizando nuestro conocimiento de la señalización celular en respuesta a combinaciones de proteínas específicas para modular la función biológica crítica en el tiempo y el espacio”, agregó.

Con señales más complejas cargadas en hidrogeles, los científicos podrían intentar controlar la diferenciación de células madre, un paso clave para convertir la ciencia ficción en hechos científicos.

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