Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada han desarrollado una forma nueva y más precisa de controlar la diferenciación de células madre en células óseas. Esta nueva técnica tiene aplicaciones prometedoras enel reino de la regeneración ósea, el crecimiento y la curación. La investigación, dirigida por David Mooney, profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS, se publicó en Materiales de la naturaleza .
El microambiente de una célula, la red de proteínas y polímeros que rodea y conecta las células dentro de los tejidos, afecta una variedad de comportamientos celulares, incluida la diferenciación de las células madre. Durante aproximadamente una década, los investigadores han podido dirigir el destino de las células madre sintonizandola rigidez de su microambiente.
El problema con solo ajustar la rigidez del microambiente de una célula, también conocida como matriz extracelular, es que supone que el entorno se comporta como un material elástico, como el caucho. Cuando se ejerce una deformación o deformación sobre un material elástico, energía elásticase almacena y cuando se libera la deformación, el material vuelve a su forma original como una banda de goma. Pero, en la naturaleza, las matrices extracelulares no son elásticas, son viscoelásticas. Los materiales viscoelásticos, como la goma de mascar, se relajan con el estrés y disipan energíacon el tiempo cuando se aplica una tensión.
Mooney y su equipo decidieron imitar la viscoelasticidad del tejido vivo mediante el desarrollo de hidrogeles con diferentes respuestas de relajación de estrés. Cuando colocaron células madre en este microambiente viscoelástico y ajustaron la velocidad a la que el gel se relajó, observaron cambios dramáticos en el comportamiento ydiferenciación de las células.
"Encontramos que con el aumento de la relajación del estrés, especialmente combinado con una mayor rigidez en el hidrogel, hay un aumento de la diferenciación osteogénica de células óseas", dijo Luo Gu, becario postdoctoral en el laboratorio de Mooney y coautor."Con una mayor relajación del estrés, también hubo una disminución en la diferenciación en células grasas. Esta es la primera vez que observamos cómo la relajación del estrés matricial impacta la diferenciación de células madre en 3D".
El aumento de la relajación del estrés no solo aumentó dramáticamente la diferenciación osteogénica temprana, sino que esas células continuaron creciendo como células óseas semanas después de su diferenciación inicial y formaron una matriz mineralizada interconectada rica en colágeno, características estructurales clave del hueso.
"Este trabajo proporciona una nueva visión de la biología de la regeneración y nos permite diseñar materiales que promueven activamente la regeneración de tejidos", dijo Mooney, quien también es miembro del cuerpo docente del Instituto Wyss.
La Oficina de Desarrollo de Tecnología de Harvard ha presentado una solicitud de patente y está explorando activamente oportunidades comerciales para la tecnología.
Una razón por la cual los microambientes de relajación rápida promueven más osteogénesis y forman hueso es que las células dentro de estas matrices pueden remodelar mecánicamente la matriz y cambiar de forma más fácilmente, dijo Ovijit Chaudhuri, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Mooney y coautor principal.
"Imagina estar atrapado en un bloque de goma", dijo Chaudhuri. "Cada movimiento se opone a la elasticidad de la goma. Pero si en lugar de la goma estás atrapado en Silly Putty, que relaja el estrés muy rápidamente y es maleable,puedes remodelar la masilla y moverte. En nuestros experimentos, descubrimos que una relajación del estrés más rápida permitía morfologías celulares notablemente diferentes ".
Puede parecer contrario a la intuición que las células óseas necesitan entornos de relajación rápida para convertirse en hueso, que es muy rígido y elástico. Sin embargo, el equipo observó que el microambiente alrededor de las fracturas óseas es muy similar al hidrogel de relajación más rápida que desarrolló el equipoen el laboratorio.
"La médula coagulada y el hematoma de fractura son viscoelásticos y tienen un comportamiento de relajación de estrés rápido", dijo Gu. "Esto puede ser una indicación de que en el entorno natural, cuando una fractura ósea está sanando, necesita una matriz de relajación de estrés realmente rápida para ayudaren formación ósea "
La siguiente etapa de la investigación es probar hidrogeles de relajación rápida in vivo, para ver si promueven la curación ósea.
"Además de introducir un nuevo concepto en los campos de la mecanobiología y la medicina regenerativa, espero que este trabajo conduzca a una explosión de nuevas ideas e investigaciones para examinar cómo una serie de otras propiedades mecánicas del material influyen en el comportamiento celular", dijo Mooney.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :