En un mundo donde los arquitectos crean estructuras icónicas, los científicos han logrado lograr una hazaña similar utilizando células, utilizando un nuevo tipo de estructura biológica que mezcla células y un material llamado microgel, que permite que las células crezcan hasta formar estructuras complejas.
«Las células construyen sus propias casas de microgeles, siendo los microgeles los ladrillos y las células el cemento que pega los ladrillos», dijo Daniel Günther, candidato a doctorado en DWI – Instituto Leibniz de Materiales Interactivos en Alemania y uno de los autores del estudio. para estudiar.
El objetivo, dice, es algún día utilizar estas construcciones de microgel para reconstruir tejidos naturales e incluso órganos para la medicina regenerativa y la reparación de tejidos.
Tejido artificial elaborado con hidrogeles
Antes de construir tejidos artificiales, los investigadores primero deben construir cultivos celulares en 3D en el laboratorio. Para ello, los científicos recurrieron a materiales llamados hidrogeles, que son redes de polímeros entrecruzados que vienen en diferentes texturas y resistencias, proporcionando un entorno para que las células crezcan.
“Los hidrogeles tienen poros demasiado pequeños para el crecimiento celular. Las células tienen que trabajar duro para degradar la red de hidrogel para poder crecer y todavía tienen una capacidad limitada para formar contactos entre células”, dijo Günther.
Avances recientes han creado microgeles, que son pequeños hidrogeles capaces de construir estructuras donde las células crecen entre las partículas de microgel, ofreciendo más espacio, pero requieren el uso de moléculas conocidas como entrecruzadores químicos para unir las partículas, formando una estructura donde las células pueden crecer. . .
“En estos casos, las células se añaden al microgel ya formado y se infiltran desde el exterior. Debido a que los microgeles están pegados químicamente entre sí, las células no pueden remodelar la estructura general”, afirmó Günther. Aunque innovador, este enfoque todavía es limitado e impide el crecimiento de tejido «natural».
En el estudio actual, Günther y sus colegas crearon estructuras biológicas que no requieren entrecruzadores químicos para guiar el crecimiento celular; de hecho, se descubrió que las células lo hacen por sí solas. Esto da como resultado materiales artificiales que imitan mejor el tejido natural en el que las células pueden crecer libremente en estructuras complejas determinadas por mecanismos celulares naturales.
Un descubrimiento fortuito
Para crear las nuevas estructuras, el equipo mezcló partículas esféricas de microgel con una molécula peptídica responsable de la adhesión celular a las superficies. Luego agregaron células de piel humana a la mezcla y, sorprendentemente, después de 24 horas observaron la formación de una estructura celular que se ensamblaba sin ningún reticulante químico.
Selin Bulut, candidata a doctorado en DWI – Instituto Leibniz de Materiales Interactivos, explicó la casualidad detrás de este descubrimiento. «Inicialmente, nuestra intención era comprobar la biocompatibilidad de los microgeles sintetizados, por lo que simplemente agregamos células y microgeles en un pozo y pronto observamos que las células y los microgeles juntos formaban una construcción grande», dijo.
Esto planteó algunas preguntas interesantes: ¿Había células en cada parte del andamio? Y quizás lo más importante: ¿seguían vivas las células?
Utilizando un microscopio especializado, los científicos observaron las células en la superficie y dentro de las estructuras, descubriendo que migraban al centro del pozo donde crecían, autoorganizándose a medida que se adherían al microgel. Cuando observaron en diferentes momentos, encontraron una remodelación continua en diferentes partes de la estructura, demostrando una naturaleza altamente dinámica similar al tejido nativo.
«El ensamblaje del andamio puede describirse como una interacción de células autoorganizadas que buscan interacciones entre células y entre células y matrices, lo que da como resultado la inclusión simultánea de los microgeles», dijo Günther.
El equipo también notó que al modificar la concentración de células añadidas al pozo, la densidad celular en la estructura permanecía casi igual. Esto sugiere que las células utilizan la cantidad de partículas de microgel necesarias para construir las estructuras, y una mayor cantidad de células no se traduce en una estructura más compacta.
«Más células pueden incorporar más microgeles y menos células 'agarrarán' tantos microgeles como puedan adherirse y, por lo tanto, la cantidad de microgeles integrados en una estructura es proporcional al número de células», dijo Günther.
Un andamio viviente
Para estudiar si las células sobrevivían dentro de la estructura, el equipo llevó a cabo un experimento que identificó células vivas o muertas en diferentes colores y observó que, después de siete días, las células de la estructura seguían vivas. Esto confirma que estos microgeles permiten la penetración de oxígeno y nutrientes necesarios para mantener vivas las células en una arquitectura 3D, al igual que en los tejidos y órganos naturales.
“Este es un método eficiente para generar una estructura de soporte ajustable basada en microgel sin la necesidad de productos químicos adicionales y la necesidad de poros prediseñados, donde la cantidad de microgeles y las propiedades del microgel juegan un papel crucial en la geometría. de la estructura resultante. ”, dijo Bulut.
“Las aplicaciones futuras incluyen principalmente in vitro aplicaciones como el modelado de enfermedades y las pruebas de fármacos, ya que la formación de tales estructuras podría ampliarse fácilmente para una detección de alto rendimiento”, añadió Günther.
«La fácil formación de estructuras sin necesidad de modificaciones químicas adicionales hace que este sistema sea interesante para aplicaciones clínicas», continuó. «Los andamios inducidos por células también podrían aplicarse en la medicina regenerativa en el futuro, donde el material del andamio puede reabsorberse después de la regeneración del tejido».
Esta tecnología no se limita a las partículas de microgel específicas que utilizaron ni a las células de la piel humana que probaron. «Existen varios materiales con distintas propiedades, como diferentes propiedades mecánicas y superficiales y cinéticas de degradación, que pueden adaptarse al área de aplicación específica», añadió Bulut.
Referencia: Selin Bulut y Daniel Günther, et. Alabama., Arquitectos celulares en acción: células que construyen sus propias casas de microgel, Materiales sanitarios avanzados (2023). DOI: 10.1002/adhm.202302957
Imagen de portada: Andamio interconectado inducido por células construido en un pozo. En verde, citoesqueletos celulares; en azul, núcleos celulares. Crédito: Selin Bulut y Daniel Günther, DWI –Instituto Leibniz de Materiales Interactivos.
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