Descubrimiento IMP de Biomedicina Molecular

Vasos sanguíneos en modelo de tejido sintético.

Los investigadores investigan qué propiedades del material apoyan la formación de vasos

29 de julio de 2021

Usar tejido creado en laboratorio para curar o reemplazar órganos dañados es una de las grandes visiones para el futuro de la medicina. Los materiales sintéticos podrían ser adecuados como andamiaje para los tejidos porque, a diferencia de los tejidos naturales, permanecen estables en el organismo el tiempo suficiente para que el cuerpo forme nuevas estructuras naturales. Un requisito fundamental para el tejido funcional es que los vasos sanguíneos puedan crecer en ellos y conectarse con el sistema vascular del organismo, de modo que el tejido reciba el suministro adecuado de oxígeno y nutrientes. Sin embargo, hasta ahora, no se sabía casi nada sobre qué propiedades de los materiales promueven el crecimiento de los vasos sanguíneos. Un equipo dirigido por la ingeniera biomédica Dra.Britta Trappmann del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular en Münster, Alemania, ha desarrollado un sistema de cultivo celular en el que, por primera vez, un sistema de vasos sanguíneos funcional puede crecer dentro de un marco hecho de materiales sintéticos.
Un hidrogel sintético en el que las células endoteliales (núcleos de células rosadas) forman nuevos vasos sanguíneos que crecen a partir de un vaso sanguíneo principal (en posición vertical a la izquierda). Estos forman cavidades conectadas al vaso principal. Aquí, los vasos se perfundieron con un líquido que contenía perlas fluorescentes (amarillas). Las perlas fluyen hacia los nuevos vasos a una velocidad natural.
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Un hidrogel sintético en el que las células endoteliales (núcleos de células rosadas) forman nuevos vasos sanguíneos que crecen a partir de un vaso sanguíneo principal (en posición vertical a la izquierda). Estos forman cavidades conectadas al vaso principal. Aquí, los vasos se perfundieron con un líquido que contenía perlas fluorescentes (amarillas). Las perlas fluyen hacia los nuevos vasos a una velocidad natural.

 

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Los científicos, trabajando en un hidrogel especial con propiedades que pueden cambiar de manera controlada, primero hicieron crecer un vaso sanguíneo parental a partir de las células del revestimiento de los vasos sanguíneos humanos. Luego investigaron cómo las propiedades materiales del entorno celular artificial influían en la formación de vasos sanguíneos adicionales y los afinaron.

Resumiendo los hallazgos clave, Britta Trappmann destaca que “el material de tejido sintético debe activar ciertas moléculas de adhesión en la membrana de las células de los vasos sanguíneos para que las células migren en grupos desde el vaso principal y formen estructuras tubulares y ser suficientemente degradables para que las células formen vasos sanguíneos de tamaño adecuado ”. Para imitar el entorno natural de las células, muchas biomoléculas y células adicionales deberían integrarse en el sistema modelo en pasos posteriores; pueden ser proteínas de señalización, células inmunitarias o células para estabilizar los vasos sanguíneos. “Además, el efecto de todos estos factores está relacionado en los tejidos naturales y varía de un órgano a otro”, explica Britta Trappmann. Comprender todo esto, dice, es un objetivo a largo plazo, pero, en última instancia, el conocimiento podría usarse para desarrollar tejidos implantables.

En este estudio, los investigadores refinaron un sistema modelo que Britta Trappmann desarrolló con sus colegas durante su tiempo como postdoc en los Estados Unidos en las universidades de Boston y Harvard. Consiste en un hidrogel tridimensional a base de azúcar en el que los científicos hacen dos canales con una aguja de acupuntura. Cada canal tiene un diámetro de 400 micrómetros y corren paralelos entre sí a una distancia de aproximadamente un milímetro. En un canal, los científicos siembran células endoteliales, que recubren los vasos sanguíneos en los tejidos naturales. “Las células endoteliales forman contactos entre sí y se adhieren a su entorno de tejido sintético en el canal, formando así un vaso sanguíneo parental después de aproximadamente un día”, explica Britta Trappmann. Cuando esto ha sucedido, los científicos administran un cóctel de factores de crecimiento de moléculas que impulsan el crecimiento de los vasos sanguíneos en los tejidos naturales a través del segundo canal, tras lo cual las células endoteliales migran al hidrogel.

Luego, los científicos querían averiguar qué propiedades del hidrogel determinan si las células endoteliales que migran realmente forman nuevos vasos sanguíneos. Investigaron el papel que juega la activación de las llamadas moléculas de adhesión en la membrana celular a través de las cuales las células se adhieren a su entorno circundante. Los investigadores primero enriquecieron la estructura del tejido de hidrogel con cantidades variables de péptidos que activan un cierto tipo de molécula de adhesión que se encuentra en la membrana de las células endoteliales llamadas integrinas.

Cuanto mayor es la concentración de péptidos, más células endoteliales migran juntas a través del hidrogel. Por el contrario, cuando los científicos bloquearon la función de la integrina, observaron que las células solo migraban individualmente. El equipo investigó este proceso observando dos subtipos de integrina específicos. “Descubrimos que la integrina αvβ3 es la molécula de adhesión crucial que debe activarse para que las células endoteliales migren en grupos”, dice Britta Trappmann. Los científicos también demostraron que la migración celular colectiva es, a su vez, un requisito previo para que las células endoteliales formen cavidades conectadas al vaso principal en el siguiente paso.

Aunque las células de los vasos sanguíneos formaron estructuras tubulares, estas eran más pequeñas que las de los tejidos naturales. Los científicos plantearon la hipótesis de que esto podría deberse a que el hidrogel sintético es menos degradable que el tejido natural y tiene poros más pequeños a través de los cuales pueden deslizarse las células. Como el hidrogel consta de cadenas de moléculas de azúcar que están reticuladas por ciertas moléculas, la solución de los científicos fue intercambiar estas moléculas reticulantes para que las células pudieran escindir el hidrogel más rápidamente utilizando las enzimas que liberan. Esto permitió que las células migraran más rápido y formaran estructuras vasculares más grandes.

 
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