septiembre 22, 2021

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Una nueva técnica para modificar polímeros biológicos naturales

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En la historia actual, los científicos luchan por organizar las células en complejos arreglos tridimensionales que nuestros cuerpos pueden dominar de forma independiente. Hay dos problemas principales: 1. utilizar un andamio 3D biocompatible en el que las células puedan crecer y 2. decorar ese andamio con mensajes bioquímicos en la configuración correcta para estimular la formación del órgano o tejido deseado.

Eruditos de Universidad de Washington Para convertir esto en realidad. Han ideado un método que utiliza mensajeros bioquímicos basados ​​en proteínas para modificar polímeros biológicos naturales. Esto, naturalmente, afecta el comportamiento de la célula.

Este nuevo enfoque también utiliza un láser de infrarrojo cercano para liberar la adhesión química de los mensajes de proteínas a un andamio hecho de polímeros biológicos como el colágeno, que es el tejido conectivo que se encuentra en todo nuestro cuerpo.

El autor principal Cole de Forest, profesor asociado de química y bioingeniería en la Universidad de Washington, dijo: “Las células de mamíferos respondieron como se esperaba a las señales de proteínas adheridas al interior del andamio 3D. Las proteínas en estos andamios biológicos llevaron a cambios en las vías de mensajes intracelulares que afectan el crecimiento celular, la señalización y otros comportamientos”.

“Estos métodos podrían formar la base de andamios de base biológica que algún día podrían hacer realidad los tejidos funcionales cultivados en laboratorio”.

“Este enfoque nos brinda las oportunidades que estábamos esperando para ejercer un mayor control sobre la función celular y el destino en biomateriales derivados de forma natural, no solo en el espacio 3D sino también a lo largo del tiempo. Además, utiliza una fotoquímica excepcionalmente fina y controlable. 4D conservando de forma única la función proteica y la actividad vital “.

El equipo utilizó láseres de infrarrojo cercano para crear este intrincado patrón humano en forma de corazón de proteínas mCherry inactivadas, que brillan en rojo bajo luz fluorescente, dentro del hidrogel de colágeno. A la izquierda hay una imagen compuesta de rodajas de gel en 3D. A la derecha hay vistas en sección transversal de patrones de mCherry. Barra de escala de 50 μm Batalov et al., PNAS, 2021

Es el primer método que controla espacialmente la función celular dentro de materiales biológicos naturales.

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Anteriormente, varios grupos de investigación desarrollaron métodos basados ​​en la luz para modular los andamios sintéticos con señales de proteínas. Pero los polímeros biológicos naturales podrían ser un pilar más atractivo de la ingeniería de tejidos porque poseen inherentemente propiedades bioquímicas de las que dependen las células para su estructura, comunicación y otros propósitos.

DeForest dijo: “Un biomaterial natural como el colágeno contiene de forma natural muchas de las mismas señales de señalización que se encuentran en los tejidos originales. En muchos casos, este tipo de sustancias hacen que las células sean más” felices “al proporcionarles señales similares a las que pueden encontrar en el cuerpo.

Los científicos probaron su método con dos tipos de polímeros biológicos: colágeno y fibrina. Los ensamblaron a todos en andamios llenos de líquido conocidos como hidrogeles.

Las señales que el equipo agregó a los hidrogeles son proteínas, que son uno de los principales transportadores de células. Las proteínas vienen en muchas formas y cada una tiene sus propias propiedades químicas únicas. Como resultado, los investigadores diseñaron su sistema para emplear un mecanismo universal de unión a proteínas. Hidrogel La asociación entre dos grupos químicos, alcoxamina y aldehído.

Antes de que el hidrogel se ensamble, los científicos sintetizan colágeno o fibrina con grupos alcoxiamina, todos los cuales están virtualmente enjaulados por una “jaula” para evitar que la oxiramina reaccione prematuramente. La jaula se puede quitar con un láser ultravioleta o infrarrojo cercano.

Utilizando métodos desarrollados previamente en el laboratorio de DeForest, los investigadores también anclaron grupos de aldehídos en un extremo de las proteínas que querían unir a los hidrogeles. Luego combinaron proteínas que contienen aldehído con hidrogeles recubiertos de alcoxamina y usaron un pulso corto de luz para quitar la jaula que cubría la coxamina.

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La alcoxamina expuesta interactuó fácilmente con el grupo aldehído de las proteínas, uniéndolas dentro del hidrogel. El equipo usó máscaras con patrones de corte y cambios en la geometría de escaneo láser para crear diseños intrincados para los arreglos de proteínas en el hidrogel, incluido el antiguo logotipo de la UW, el Seattle Space Needle, el Monster y el mapeo 3D del Corazón humano.

Las proteínas unidas eran completamente funcionales, proporcionando las señales deseadas a las células. Cuando se carga en un hidrogel de colágeno que contiene una proteína llamada EGF, que promueve el crecimiento celular, las células de hígado de rata mostraron signos de proliferación de ADN y división celular. En un experimento separado, los investigadores decoraron el hidrogel de fibrina con patrones de una proteína llamada Delta-1, que activa una vía específica en las células llamada señalización Notch. Cuando insertaron células de cáncer de hueso humano en el hidrogel, las células en las regiones del patrón Delta-1 comenzaron a enviar señales Notch, mientras que las células en las regiones sin Delta-1 no lo hicieron.

De Forest Él dijoY el “Estos experimentos con múltiples andamios biológicos y señalización de proteínas indican que su enfoque puede funcionar con prácticamente cualquier tipo de sistema de biomaterial y señalización de proteínas”.

“Ahora, podemos comenzar a crear andamios de hidrogel con muchas señales diferentes, utilizando nuestra comprensión de las señales celulares en respuesta a estructuras de proteínas específicas para modular la función biológica crítica en el tiempo y el espacio”.

Referencia de la revista:
  1. “Fijación de biomoléculas ópticas para guiar el destino de las células 3D en hidrogeles naturales basados ​​en proteínas”, PNAS (2020). DOI: 10.1073 / peniques 2014194118
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