El Nuevo Hidrogel Poroso Podría Mejorar El éxito De La Regeneración Del Tejido De Células Madre

Un nuevo hidrogel poroso podría impulsar el éxito de la regeneración de tejidos de células madre

En esta imagen, se ha formado una nueva estructura ósea después de que se trasplantaran las células madre utilizando la nueva estrategia de hidrogel desarrollada en el Instituto Wyss.

Utilizando un nuevo hidrogel poroso, los científicos han mejorado experimentalmente la reparación ósea al aumentar la tasa de supervivencia de las células madre trasplantadas e influir en su diferenciación celular.

Las posibles terapias con células madre a menudo están limitadas por la baja supervivencia de las células madre trasplantadas y la falta de control preciso sobre su diferenciación en los tipos de células necesarios para reparar o reemplazar los tejidos lesionados. Un equipo dirigido por David Mooney, un miembro central de la facultad del Instituto Wyss de Harvard, ha desarrollado una estrategia que ha mejorado experimentalmente la reparación ósea al aumentar la tasa de supervivencia de las células madre trasplantadas e influir en su diferenciación celular. El método incorpora células madre en hidrogeles porosos trasplantables.

Además de Mooney, el equipo incluía a Georg Duda, miembro asociado de la facultad de Wyss y director del Instituto Julius Wolff de Biomecánica y Regeneración Musculoesquelética en Charité – Universitätsmedizin en Berlín, y el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber. El equipo publicó sus hallazgos en la edición de hoy de Nature Materials. Mooney es también profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

Las terapias con células madre tienen potencial para reparar muchos tejidos y huesos, o incluso para reemplazar órganos. Ahora se pueden generar células madre específicas de tejido en el laboratorio. Sin embargo, no importa qué tan bien crezcan en el laboratorio, las células madre deben sobrevivir y funcionar correctamente después del trasplante. Conseguir que lo hagan ha sido un gran desafío para los investigadores.

El nuevo hidrogel poroso podría impulsar el éxito de la regeneración de tejidos de células madre

Durante un período de 14 días, estas imágenes (desde arriba) muestran espacios vacíos que se forman en un nuevo hidrogel inyectable. Los espacios vacíos actúan como un “nicho de células madre” para impulsar la proliferación y maduración de las células madre trasplantadas, que podrían aprovecharse para mejorar las terapias de regeneración de tejidos. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

El nuevo hidrogel poroso podría impulsar el éxito de las células madre

Nuevo hidrogel poroso para impulsar el éxito de la regeneración de tejidos de células madre

El equipo de Mooney y otros investigadores han identificado señales químicas y físicas específicas del nicho de las células madre (el área en la que las células madre sobreviven y prosperan con el apoyo de otros tipos de células y factores ambientales) para promover la supervivencia, multiplicación y maduración de las células madre en el tejido. Mientras que las señales químicas que controlan el comportamiento de las células madre se comprenden cada vez más, se sabe mucho menos sobre las propiedades mecánicas de los nichos de las células madre. Sin embargo, se ha descubierto que las células madre, como las presentes en huesos, cartílagos o músculos cultivados en laboratorios, poseen mecanosensibilidades, lo que significa que requieren un sustrato físico con elasticidad y rigidez definidas para proliferar y madurar.

“Hasta ahora, estas influencias físicas no se habían aprovechado de manera eficiente para impulsar los procesos de regeneración del mundo real”, dijo Nathaniel Huebsch, un estudiante graduado que trabajó con Mooney y quien es el primer autor del estudio. “Basándonos en nuestra experiencia con células madre mecanosensibles, planteamos la hipótesis de que los hidrogeles podrían aprovecharse para generar las señales químicas y mecánicas adecuadas en un primer modelo de regeneración ósea”.

Dos hidrogeles llenos de agua con propiedades muy diferentes son la clave del método del equipo de Mooney. Un “gel a granel” más estable y de mayor duración se llena con pequeñas burbujas de un segundo llamado “porógeno” que se degrada a un ritmo mucho más rápido, dejando cavidades porosas.

Al acoplar el gel a granel con un pequeño “péptido” derivado del entorno extracelular de nichos de células madre genuinas y mezclarlo con un tipo de células madre específicas de tejido y con el porógeno, el equipo puede crear un nicho artificial formador de hueso. Si bien el gel a granel proporciona la cantidad justa de elasticidad más una señal química relevante para hacer que las células madre proliferen y maduren, el porógeno se descompone gradualmente, dejando espacios abiertos en los que las células madre se expanden antes de que migren naturalmente fuera de la estructura del gel para formar tejido óseo mineralizado real.

En experimentos con animales pequeños realizados hasta ahora, los investigadores muestran que un hidrogel formador de huecos con las propiedades químicas y elásticas correctas proporciona una mejor regeneración ósea que el trasplante de células madre solo. De mayor interés, las células madre en maduración desplegadas por el hidrogel también inducen a las células madre nativas cercanas a contribuir a la reparación ósea, amplificando aún más sus efectos regenerativos.

“Este estudio proporciona la primera demostración de que las propiedades físicas de un biomaterial no solo pueden ayudar a producir células madre, sino también ajustar su comportamiento in vivo”, dijo Mooney. “Si bien hasta ahora nos hemos centrado en orquestar la formación ósea, creemos que nuestro concepto de hidrogel también se puede aplicar ampliamente a otros procesos regenerativos”.

El trabajo colaborativo e interdisciplinario fue apoyado por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard (MRSEC), que es financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

“Esta es una demostración exquisita del alto impacto de los programas MRSEC”, dijo Dan Finotello, director de programas de la NSF. “Los MRSEC reúnen a varios investigadores de variada experiencia y conocimientos complementarios que luego pueden hacer avanzar la ciencia a un ritmo considerablemente más rápido”.

Los Institutos Nacionales de Salud proporcionaron fondos adicionales; la Fundación de Educación Belga Estadounidense; la Fundación Einstein de Berlín; la Escuela de Terapias Regenerativas de Berlín-Brandenburgo; el Programa de Investigación de la Universidad de Harvard; e Investigación de posgrado de NSF, Einstein Visiting, Harvard College PRIZE, Herchel-Smith y Pechet Family Fund Fellowships.

Publicación : Nathaniel Huebsch, et al., “La elasticidad de la matriz de los hidrogeles formadores de huecos controla la formación de hueso mediada por células madre trasplantadas”, Nature Materials (2015); doi: 10.1038 / nmat4407

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