Las superestructuras formadas por moléculas ‘caminantes’ podrían ayudar a crear neuronas para la medicina regenerativa
Imagen confocal del haz de superestructuras. Crédito: Stupp Lab / Northwestern University
Imagínese si los cirujanos pudieran trasplantar neuronas sanas a pacientes que padecen enfermedades neurodegenerativas o lesiones cerebrales o de la médula espinal. E imagine si pudieran «crecer» estas neuronas en el laboratorio a partir de las propias células de un paciente utilizando un material sintético altamente bioactivo que es adecuado para la impresión en 3D.
Al descubrir un nuevo biomaterial imprimible que puede imitar las propiedades del tejido cerebral, los investigadores de la Universidad Northwestern ahora están 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 las funciones de los sistemas desde la nanoescala hasta la escala de características visibles. El laboratorio de Samuel I. Stupp publicó un artículo de 2018 en la revista Science que mostró que los materiales se pueden diseñar con moléculas altamente dinámicas programadas para migrar largas distancias y autoorganizarse para formar paquetes de nanofibras «superestructuradas» más grandes.
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 el Parkinson y el Alzheimer, así como también para las lesiones 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 el director del Instituto Simpson Querrey de Northwestern. «También podemos usar construcciones del nuevo biomaterial para ayudar a descubrir terapias y comprender patologías».
Pionero del autoensamblaje supramolecular, Stupp también es profesor de la Junta de Síndicos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica y tiene nombramientos en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg, la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg.
El artículo se publicó hoy (22 de febrero) en la revista Advanced Science .
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 -bloquean interacciones entre proteínas, y también como resultado de la concentración de estas interacciones en regiones de escala micrométrica a través de una migración a larga escala de «moléculas andantes».
Las moléculas ágiles cubren una distancia miles de veces mayor que ellos mismos 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 con forma de cuerda.
«Los biomateriales típicos que se usan en medicina, como los hidrogeles poliméricos, no tienen la capacidad de permitir moléculas para autoensamblarse y moverse dentro de estos ensamblajes», dijo Tristan Clemons, investigador asociado en el laboratorio de Stupp y coautor del artículo con Alexandra Edelbrock, exestudiante de posgrado en el 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 3-D interrumpen las interacciones huésped-huésped en las superestructuras y hacen que el material fluya, pero puede solidificarse rápidamente en cualquier forma macroscópica porque las interacciones se restauran espontáneamente por autoensamblaje. Esto también permite la impresión en 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 de el material podría tener grandes implicaciones para la regeneración de tejidos. 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 permitir que las neuronas sean más plásticas. 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 en el nuevo material integra una imitación 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 podría crear un entorno en el que las neuronas diferenciadas de las células madre derivadas del paciente maduren antes del trasplante.
Ahora que el equipo ha aplicado una prueba de concepto a las neuronas, Stupp cree que podría incursionar en otras áreas de la regeneración medicina aplicando diferentes secuencias químicas al material. Cambios químicos simples en los biomateriales les permitirían proporcionar señales para una amplia 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 de pacientes», aseguró Stupp. «Luego, estos tejidos podrían trasplantarse para ayudar a restaurar las funciones perdidas. Más allá de estas intervenciones, los materiales podrían usarse para construir organoides para descubrir terapias o incluso implantarse directamente en tejidos para su regeneración, ya que son biodegradables».
El artículo se titula «Biomateriales superestructurados formados por dinámicas de intercambio e interacciones huésped-huésped en polímeros supramoleculares».
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Nuevos materiales dinámicos bioinspirados que se transforman a sí mismos Más información: Alexandra N. Edelbrock et al. Biomateriales superestructurados formados por dinámicas de intercambio e interacciones huésped-huésped en polímeros supramoleculares, ciencia avanzada (2021). DOI: 10.1002/advs.202004042 Información de la revista: Science
Proporcionado por la Universidad Northwestern Cita: Las superestructuras formadas por moléculas ‘caminantes’ podrían ayudar a crear neuronas para la medicina regenerativa ( 2021, 23 de febrero) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-superstructures-molecules-neurons-regenerative-medicine.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.