Nuevo modelo de computadora es un paso clave hacia la preservación a baja temperatura de tejidos y órganos en 3D
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La ciencia médica es un paso clave hacia la crioconservación de cortes de cerebro utilizados en la investigación neurológica, células pancreáticas para el tratamiento de la diabetes e incluso de órganos completos gracias a un nuevo modelo informático que predice cómo cambiará el tamaño del tejido durante el proceso de conservación.
Los hallazgos del estudio dirigido por Adam Higgins de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Oregón se publicaron en Biophysical Journal.
«La criopreservación de tejidos sería útil para la investigación biomédica y para la medicina de trasplantes, pero es difícil para criopreservar tejidos por varias razones», dijo Higgins, profesor asociado de bioingeniería. «Una de las principales razones es que la formación de hielo puede romper un tejido desde el interior. Las personas que cocinan probablemente ya estén familiarizadas con esto: un tomate congelado y descongelado se vuelve blando».
La criopreservación ha sido ampliamente utilizada durante mucho tiempo. se utiliza en aplicaciones comparativamente más sencillas, como la conservación de semen, sangre, embriones y semillas de plantas. Una barrera para otros usos ha sido el daño causado por la cristalización del hielo y la naturaleza nociva de los compuestos agregados para evitar la formación de hielo.
La vitrificación, explica Higgins, es una estrategia de crioconservación que frustra el daño de los cristales de hielo a través de sustancias químicas conocidas como crioprotectores. , o CPA, que pueden evitar que se forme hielo. Un ejemplo de un CPA es el etilenglicol, que se usa en los anticongelantes para automóviles.
En los tejidos, una concentración lo suficientemente alta de CPA hace que se forme un «vidrio» sólido en lugar de cristales de hielo cuando la temperatura del tejido se reduce a nitrógeno líquido. niveles; el nitrógeno líquido hierve a -320 grados Fahrenheit.
«El problema es que estos químicos pueden causar daño osmótico debido a que el agua atraviesa las membranas celulares y hace que las células revienten», dijo Higgins. «También pueden matar células debido a la toxicidad. Por lo tanto, al diseñar el mejor método de vitrificación, el truco es elegir el mejor camino entre las condiciones fisiológicas normales y un estado vitrificado final, es decir, una alta concentración de CPA y una temperatura de nitrógeno líquido».
De ahí la necesidad de modelos matemáticos. En una investigación anterior que involucraba una sola capa de células endoteliales, que forman el revestimiento del sistema circulatorio, Higgins y sus colegas de la Facultad de Ingeniería demostraron el valor de un modelo que involucraba la toxicidad del CPA, el daño osmótico y la transferencia de masa. El modelo descubrió un enfoque para cargar CPA que era contrario a la intuición: inducir a las células a hincharse.
Los investigadores descubrieron que si las células se exponían inicialmente a una concentración baja de CPA y se les daba tiempo para que se hincharan, la muestra podía vitrificarse después. agregando rápidamente una alta concentración. El resultado fue una toxicidad general mucho menor, dijo Higgins. La supervivencia de las células sanas después de la vitrificación aumentó de alrededor del 10 % con un enfoque convencional a más del 80 %.
«El mayor problema individual y el factor limitante en la vitrificación es la toxicidad del CPA y el método de expansión fue bastante útil para solucionarlo. ,» él dijo. «Nuestro nuevo artículo amplía esta línea de investigación al presentar un nuevo modelo de transferencia de masa en el tejido; una característica clave es que permite predecir los cambios en el tamaño del tejido».
Higgins señala que ha habido observaciones de múltiples tipos de tejidos que cambian de tamaño después de la exposición a soluciones de CPA; entre ellos se encuentran el cartílago, el tejido ovárico y grupos de células en el páncreas conocidas como islotes. Lo más probable es que esos cambios de tamaño sean consideraciones importantes para el diseño de métodos para la vitrificación de tejidos, dijo.
«El enfoque de modelado de transferencia de masa convencional se conoce como ley de Fick y supone que el tamaño del tejido permanece constante, dijo Higgins. «Nuestro nuevo modelo, que usamos para dos tipos de tejidos muy diferentes, el cartílago articular y los islotes pancreáticos, abre la puerta para extender nuestro enfoque de optimización matemática anterior al diseño de mejores métodos para la crioconservación de varios tipos de tejidos».
A medida que sea posible la vitrificación de tejidos cada vez más complejos, es probable que se vuelvan viables nuevas aplicaciones, dijo Higgins, especialmente a medida que continúa el progreso en el campo de rápido avance de la regeneración de tejidos, en el que las células madre pueden usarse para desarrollar nuevos tejidos o incluso órganos enteros.
Concebiblemente, dijo, los tejidos podrían fabricarse en pequeñas cantidades y almacenarse hasta que se necesiten para el trasplante. Los órganos donados para trasplantes podrían conservarse de forma rutinaria hasta que se encontrara una coincidencia inmunológica precisa. Tampoco está fuera del ámbito de la posibilidad, dijo Higgins, que las personas puedan cultivar un corazón o hígado de respaldo a partir de sus propias células madre y vitrificarlo para usarlo en el futuro según sea necesario.
El desarrollo de fármacos es otra área que beneficiarse de un potencial de vitrificación mejorado y ampliado, agregó.
Las pruebas de drogas generalmente ocurren dentro de los sistemas tradicionales de cultivo celular o en modelos animales, que a menudo no predicen con precisión el efecto de la droga en las personas. Las nuevas cámaras microfluídicas de «órganos en un chip» que contienen células humanas cultivadas en condiciones que imitan los tejidos u órganos nativos podrían ser capaces de pronosticar con mayor precisión las respuestas a los medicamentos en las personas, pero su uso requiere que las células se almacenen a largo plazo, ya que la vitrificación lo permite.
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El descubrimiento podría abrir la puerta a la conservación congelada de tejidos y órganos completos. Más información: Ross M. Warner et al, Modelo general de transferencia de masa de tejidos para aplicaciones de criopreservación, Biophysical Journal ( 2021). DOI: 10.1016/j.bpj.2021.10.014 Información de la revista: Biophysical Journal
Proporcionado por Oregon State University Cita: El nuevo modelo informático es un paso clave hacia la baja -temperatura preservación de tejidos 3D, órganos (2021, 10 de noviembre) obtenido el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-key-low-temperature-3d-tissues.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.