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Investigadores de la Universidad de Duke han capturado vídeos de lapso de tiempo de varios días de duración de células neuronales jóvenes moviéndose y creciendo dentro de una novedosa estructura sintética biocompatible en 3D. Al observar literalmente cómo las células responden a las señales bioquímicas naturales incrustadas en el material, los ingenieros biomédicos esperan desarrollar biogeles que puedan reparar y regenerar el tejido cerebral después de un derrame cerebral u otro trauma.

Los resultados aparecen en línea el 22 de junio en la revista Advanced Materials.

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Observe cómo las células neuronales primordiales bailan, crecen e incluso mueven andamios 3D diseñados para curar lesiones cerebrales causadas por accidentes cerebrovasculares y otros traumatismos. Decorar el andamio con diversos nutrientes y señales bioquímicas permite a los investigadores controlar en qué tipos de tejidos cerebrales se convierten. Crédito: Katrina Wilson y Ken Kingery, Universidad de Duke.

Reparar y regenerar el tejido cerebral es una tarea difícil. Si se lo deja a su suerte, el cerebro no regenera las sinapsis, los vasos sanguíneos u otras estructuras perdidas después de sufrir una lesión, como un derrame cerebral. En cambio, el tejido cerebral muerto se absorbe, dejando una cavidad sin nada reconocible como tejido cerebral sano.

Pero eso no ha impedido que los investigadores intenten regenerar cerebros dañados de todos modos. Un enfoque común utilizado por los ingenieros biomédicos es proporcionar un nuevo medio para que se muevan las diversas partes del tejido cerebral, cargado con diversos nutrientes e instrucciones biológicas para estimular el crecimiento.

Mientras que los científicos en este campo históricamente han buscado un biomaterial gelatinoso y homogéneo para apoyar el crecimiento neuronal, Tatiana Segura, profesora de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke, ha desarrollado un enfoque diferente. Su biomaterial construido para fomentar todo tipo de curación y crecimiento está hecho de millones de pequeñas esferas gelatinosas empaquetadas para formar un andamio estable.

"La mayoría de los otros laboratorios utilizan hidrogeles no porosos que son como un gran trozo de gelatina, y las células tienen que devorarlo antes de que puedan depositar material para volver a crecer", dijo Segura. "Las nuestras se parecen más a naranjas suaves empaquetadas en una caja, que proporciona un montón de bolsillos y espacios vacíos por donde las células pueden moverse y crecer".

El método de la caja de naranjas, llamado andamios de partículas recocidas microporosas (MAP), ha demostrado ser prometedor en una gran cantidad de tejidos como la piel y los huesos. Y en 2018, se demostró que reduce la inflamación y promueve la migración de células progenitoras neurales (NPC) hacia la lesión del accidente cerebrovascular.

Esta observación llevó a Katrina Wilson, candidata a doctorado en el laboratorio de Segura, a diseñar andamios MAP para guiar mejor cómo se diferencian estas células progenitoras. No tan inmaduros y diestros como las células madre, los progenitores neuronales todavía son capaces de convertirse en la mayoría, si no en todos, los tipos de células que se encuentran en el cerebro. Poder decirles adónde ir y en qué convertirse sería una gran ayuda para desarrollar tratamientos de curación cerebral.

En el cuerpo humano, las células madre y las células progenitoras responden a señales biológicas de diversas estructuras y proteínas que se encuentran a su alrededor. Una fuente de instrucción proviene de las proteínas lamininas que forman el andamiaje biológico del cuerpo llamado matriz extracelular.

En el nuevo artículo, Wilson incorporó diferentes combinaciones de porciones de estas proteínas llamadas péptidos dentro de su andamiaje MAP sintético y luego observó lo que sucedió, literalmente. Creó vídeos de lapso de tiempo a lo largo de varios días que muestran cómo las células progenitoras responden al andamio MAP pintado con péptidos.

"Vimos que las células se adherían al andamio con el tiempo y, de hecho, lo movían físicamente", dijo Segura. “Solíamos pensar en ello como un simple gimnasio en la jungla con niños jugando en él. Pero eso no es lo que vimos: las células ejercen fuerzas físicas sobre el andamio que son suficientes para provocar su movimiento”.

Sin embargo, esta observación no fue uniforme para todos los cócteles de péptidos. Los andamios MAP modificados con un péptido diferente terminaron convirtiéndose en pequeñas bolas llamadas neuroesferas, que no movían el andamio, sino que entraban y salían de diferentes profundidades, conservando su capacidad de elegir diferentes caminos de maduración. Ambos resultados, afirma Wilson, podrían ser útiles para una amplia variedad de aplicaciones médicas.

"Existe un gran potencial para que las neuroesferas se utilicen como modelos para estudiar la neurotoxicidad del desarrollo o para la detección de fármacos, y la propagación y diferenciación de las células es muy aplicable a nuestro trabajo en curso para promover la regeneración de tejidos después de un accidente cerebrovascular", dijo Wilson. "Si bien la mayoría de las plataformas para este tipo de trabajo están estancadas en dos dimensiones y no son excelentes para simular lo que sucede en un cuerpo tridimensional, nuestra plataforma es 3D y podría ser un excelente modelo para probar y comprender cómo funcionan los NPC".

Con muchas rutas potenciales a seguir, Wilson dice que su próximo paso es usar lo que aprendió y aplicar todo el conjunto de señales peptídicas a los modelos de accidente cerebrovascular en ratones del laboratorio para ver si mejora el reclutamiento celular y la respuesta para que vuelvan a crecer los vasos sanguíneos y los nervios.

Referencia: Wilson KL, Pérez SCL, Naffaa MM, Kelly SH, Segura T. La posmodificación estequiométrica de micropartículas de hidrogel dicta el destino de las células madre neurales en andamios de partículas recocidas microporosas. Materiales avanzados. n/a(n/a):2201921. doi:10.1002/adma.202201921

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