Investigadores desarrollan nuevo modelo para investigar tratamientos de fibrosis sin el uso de animales
El modelo en forma de anillo está compuesto por fibroblastos humanos, las células del tejido conectivo que son responsables de la producción de colágeno, así como las otras proteínas que constituyen la matriz extracelular . El anillo se puede manipular de manera que imite el tejido humano sano y enfermo. Crédito: The Morgan lab
Para encontrar tratamientos para los trastornos del tejido conectivo como la fibrosis, los científicos necesitan modelos que puedan replicar la estructura y la función del tejido humano cuando está sano y cuando no lo está, y reaccionar a los medicamentos como si estuviera enfermo. el tejido humano lo haría. Pero la mayoría de los modelos están basados en animales y presentan importantes limitaciones.
Un nuevo modelo de prueba de laboratorio desarrollado por investigadores de la Universidad de Brown utiliza células humanas y replica no solo la estructura del tejido humano, sino también su mecánica.
Los investigadores describen el modelo en un estudio de Advanced Science publicado en Martes, 1 de febrero.
«Este modelo brinda a los investigadores una nueva herramienta no solo para explorar los mecanismos subyacentes de la fibrosis y las enfermedades hereditarias de la matriz extracelular, sino también para probar posibles tratamientos para ellas», dijo el autor principal. Jeff Morgan, profesor de patología y medicina de laboratorio, y de ingeniería de la Universidad de Brown.
Ese desarrollo es crucial, añadió Morgan, porque no existen curas para la fibrosis y los trastornos de la matriz extracelular como el síndrome de Ehlers-Danlos y el síndrome de Marfan necesitan nuevos tratamientos.
Enmarcando el problema
La clave de la funcionalidad del nuevo modelo es que no incluye un «andamio» artificial externo para las células; utiliza un enfoque novedoso en el que las células se aprovechan para producir su propia matriz extracelular natural.
La mayoría de los enfoques de ingeniería de tejidos se basan en el uso de andamios de proteínas o polímeros, explicó el coautor del estudio Ben Wilks, quien obtuvo un Ph. D. en ingeniería biomédica en Brown y ahora es investigador en la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts. Los métodos convencionales implican el cultivo de células en plástico, mientras que los enfoques más nuevos incorporan células en un hidrogel de colágeno para imitar la matriz extracelular. Este nuevo enfoque va mucho más allá: permite que las células sinteticen y ensamblen su propia matriz extracelular humana.
Células autoensambladas: los fibroblastos en un canal circular se alargan, alinean y contraen para formar un tejido en forma de anillo 3D que es estructuralmente similar a tejido conectivo humano.
Durante las últimas décadas, ha habido un cambio en la comprensión científica de la matriz extracelular de los tejidos. La matriz no solo brinda soporte estructural, sino que también se comunica con las células a través de la transmisión de señales mecánicas y bioquímicas. Esta comunicación dinámica y bidireccional entre la matriz y las células juega un papel crucial en el mantenimiento de la homeostasis celular y la función de los tejidos, dijo Wilks.
«Estamos interesados en cómo los cambios en los nutrientes, los factores de crecimiento o los tratamientos farmacológicos afectan la síntesis celular y remodelación de la matriz extracelular y las propiedades mecánicas resultantes de las construcciones de tejido», dijo Wilks. «Por lo tanto, un enfoque sin andamios es mucho más adecuado para estudiar las preguntas que estamos haciendo».
Los investigadores del laboratorio de Morgan en Brown han estado investigando la ingeniería de tejidos sin andamios durante más de 15 años. El enfoque del laboratorio es desarrollar herramientas que permitan a los científicos aprovechar las propiedades intrínsecas de las células para ensamblar tejidos 3D y sintetizar su propia matriz extracelular, explicó Morgan. El laboratorio ha desarrollado una tecnología que permite a los investigadores controlar la forma 3D de las construcciones de tejido diseñadas, formando esferas, anillos o geometrías más complejas, aprovechando un fenómeno que llaman autoensamblaje celular.
Sin embargo, el autoensamblaje celular parecía funcionar de manera diferente con los fibroblastos, una célula altamente contráctil que se encuentra en todo el cuerpo y que desempeña funciones importantes en la cicatrización de heridas, la síntesis y degradación de la matriz extracelular y la homeostasis de los tejidos.
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La rigidez del tejido que es característica de la fibrosis progresiva, por ejemplo, se debe al comportamiento anormal de los fibroblastos que se acumulan y modifican la matriz extracelular de una manera que finalmente resulta en una pérdida de la función del órgano.
Cuando los investigadores aplicaron la tecnología del laboratorio a los fibroblastos, las construcciones de tejido se rompieron espontáneamente.
Las proteínas del anillo: una representación de una sección transversal en 3D muestra la red fibrosa de proteínas de ECM de colágeno que han sido sintetizadas y organizadas por los fibroblastos humanos.
Como doctorado. estudiante en el laboratorio de Morgan, Wilks descubrió que alterar la composición de los nutrientes en los que se cultivaban las células ayudaría a estabilizar la formación de las construcciones de tejido durante días, semanas o incluso meses.
Además, Wilks reconoció que al ajustando parámetros adicionales como la geometría del molde y el número de células, pudo formar construcciones estables de tejido en forma de anillo en 3D, o modelos, que facilitaron la tensión que hizo que los fibroblastos se orientaran y sintetizaran su propia matriz extracelular.
«Fue realmente cuando comencé a emocionarme: cuando vi cómo los fibroblastos se alineaban y sintetizaban esta hermosa matriz extracelular rica en colágeno 3D en un patrón de onda periódica que se asemeja a lo que se ve en los tejidos conectivos nativos como ligamentos y tendones, dijo Wilks. «Nunca había visto eso antes en una construcción de tejido diseñada».
Una prueba de fuerza
Wilks se preguntó si era posible cuantificar la rigidez y la fuerza de las construcciones de tejido para permitir investigadores para replicar el tejido normal, así como el tejido afectado por la enfermedad.
Usando una máquina de prueba de tracción llamada Instron, el equipo midió cuánta fuerza se necesitaba para estirar el tejido hasta que se rompiera. Este tipo de datos se puede utilizar para evaluar propiedades mecánicas como la resistencia y la rigidez de los tejidos, que luego se pueden relacionar con los tejidos del cuerpo humano. También se puede utilizar para medir cómo la adición de un fármaco alteraría la resistencia y la rigidez del tejido.
Prueba de estiramiento: los investigadores del laboratorio de Morgan utilizan un instrumento de prueba mecánico para estirar los anillos de tejido y medir su rigidez y resistencia a la tracción.
Por ejemplo, dijo Wilks, los datos se pueden usar para probar si un candidato a fármaco antifibrótico detiene la rigidez del tejido que es característica de las enfermedades fibróticas.
«En este documento, desarrollamos un modelo de tejido conectivo que nos permite cuantificar directamente cómo la exposición de las células en un entorno 3D a diferentes nutrientes, factores de crecimiento o tratamientos farmacológicos da como resultado cambios en la síntesis de la matriz extracelular y la mecánica de los tejidos, que es una métrica funcional importante de los tejidos y se utiliza clínicamente para controlar enfermedades progresión», dijo Wilks. «Si bien todavía hay mucho trabajo en curso, creemos que este modelo es prometedor para la detección de posibles fármacos antifibróticos. Esto abordaría una importante necesidad no satisfecha, ya que actualmente no hay tratamientos disponibles que puedan detener o revertir completamente la fibrosis».
El nuevo modelo es una de las construcciones más avanzadas para representar la arquitectura 3D, la composición y la mecánica de los tejidos conectivos nativos como ligamentos y tendones, dijeron los investigadores. Los modelos animales son costosos, éticamente polémicos y no siempre predicen la fisiopatología humana, dijo Morgan, quien dirige el Centro de Alternativas a los Animales en las Pruebas de la Universidad de Brown.
Agregó que este tipo de investigación es un trampolín valioso hasta crear modelos sofisticados que puedan reemplazar y superar el uso de animales.
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Estructuras híbridas de gelatina típicas de fibras biológicas que contienen colágeno Más información: Benjamin T. Wilks et al, Quantifying CellDerived Changes in Collagen Synthesis, Alignment, and Mechanics in a 3D Modelo de Tejido Conectivo, Ciencia Avanzada (2022). DOI: 10.1002/advs.202103939 Información de la revista: Advanced Science
Proporcionado por la Universidad de Brown Cita: Investigadores desarrollan un nuevo modelo para investigar tratamientos de fibrosis sin el uso de animales (2022 , 1 de febrero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-02-fibrosis-treatments-animals.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.