Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Estructuras Microscópicas Pueden Ayudar a Regenerar las Células

Friday, June 10, 2005

Células de ratones que crecen dentro de la estructura basada en nanofibras, desarrollada por los investigadores en la Northwestern University. La estructura contiene una alta densidad de IKVAV, una secuencia bioactiva compuesta por cinco aminoácidos derivados de la proteína extracelular denominada laminina. Aunque estas células tienen la capacidad de transformarse en diversos tipos de células, cuando son encapsuladas en esta matriz autoensamblable, la mayoría de ellas se convierte en neuronas, representadas en la figura en color verde. Los núcleos de las células están representados en color azul. La capacidad para controlar la diferenciación celular resulta interesante para el tratamiento de las lesiones de médula espinal ya que se podría utilizar la estructura para inhibir la formación de células no neuronales que forman el tejido cicatricial y evitan la recuperación. Foto cortesía de Dr. Samuel I. Stupp, Northwestern University.

Células de ratones que crecen dentro de la estructura basada en nanofibras, desarrollada por los investigadores en la Northwestern University. La estructura contiene una alta densidad de IKVAV, una secuencia bioactiva compuesta por cinco aminoácidos derivados de la proteína extracelular denominada laminina. Aunque estas células tienen la capacidad de transformarse en diversos tipos de células, cuando son encapsuladas en esta matriz autoensamblable, la mayoría de ellas se convierte en neuronas, representadas en la figura en color verde. Los núcleos de las células están representados en color azul. La capacidad para controlar la diferenciación celular resulta interesante para el tratamiento de las lesiones de médula espinal ya que se podría utilizar la estructura para inhibir la formación de células no neuronales que forman el tejido cicatricial y evitan la recuperación. Foto cortesía de Dr. Samuel I. Stupp, Northwestern University.

La enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, las lesiones de la médula espinal y la diabetes son algunos de los trastornos médicos más difíciles de tratar debido a que determinadas células clave del cuerpo dejan de funcionar. Las drogas alivian los síntomas de la enfermedad pero no logran que estas células imprescindibles recuperen la salud.

Para poner en marcha la regeneración celular, los investigadores combinan la biología y la nanotecnología para crear estructuras nuevas que transporten las señales moleculares o el ADN directamente a las células deterioradas. La estructura es una matriz artificial tridimensional que funciona de manera provisoria y es compatible con el medio que rodea a las células. Mientras “vive” en el cuerpo, la estructura envía señales que alteran el comportamiento celular, afirma el Dr. Samuel I. Stupp, director del Institute for BioNanotechnology in Medicine que funciona en el campus de Chicago de la Northwestern University.

El Dr. Stupp y sus colegas están desarrollando dos tipos principales de estructuras. Una de ellas utiliza nanofibras que son 10,000 veces más delgadas que un cabello humano. Pueden formarse con una secuencia específica de aminoácidos para promover el crecimiento celular. La segunda estructura está compuesta por un polímero microporoso que transporta genes para modificar las proteínas que regulan el desarrollo celular. Finalmente, los investigadores pueden crear estructuras que colaboran en la regeneración de las neuronas dañadas, restauran las uniones entre las fibras nerviosas que se pierden en cuadros de parálisis, o estimulan las células pancreáticas progenitoras para que produzcan insulina.

La estructura de nanofibras combina el autoensamblaje (capacidad para transformarse de líquido a gel en contacto con el tejido) con una estructura química elaborada con precisión por los investigadores para presentar una gran variedad de señales a las células. La capacidad de autoensamblaje de las estructuras facilitaría su administración clínica en pacientes. Además, a diferencia de los materiales estructurales derivados de los animales, como el colágeno, la naturaleza sintética de la estructura hace que sea más segura para su utilización en seres humanos, afirma el Dr. Stupp. Al actuar en las células progenitoras, la estructura de nanofibras ha podido dirigir el "destino" de las células originadas en el cerebro, agrega el Dr. Stupp. Las células progenitoras neurales no son diferenciadas, lo que implica que no han elegido aún actuar como un determinado tipo de célula dentro del tejido. Cuando los investigadores combinaron las estructuras con aminoácidos que promueven las extensiones neuríticas en las neuronas, descubrieron que podían desencadenar el crecimiento selectivo de las neuronas a diferencia de otros tipos de células del sistema nervioso. “Esto es importante ya que la estructura sintética sola tenía la capacidad de mediar claramente en la diferenciación celular”, acotó el Dr. Stupp.

La estructura de nanofibras también puede ayudar a evitar que las células progenitoras neurales seleccionen un destino destructivo convirtiéndose en células gliales o astrocitos. Luego de una lesión de médula espinal, las células gliales o astrocitos forman una cicatriz que evita la reparación del tejido neural. En experimentos que se han llevado a cabo en animales con lesiones en la médula espinal, el Dr. Stupp y el neurólogo John Kessler observaron movimiento incrementado de las extremidades después de que se les aplicaran inyecciones de una estructura. “Estamos convencidos de que se ha producido una leve recuperación funcional en los animales, pero desconocemos lo que esto implica", declara el Dr. Stupp. “Especulamos que guarda cierta relación con evitar que se produzca una cicatriz glial, pero esto no se ha podido demostrar aún."

El ingeniero químico Lonnie Shea y el endocrinólogo Dr. William Lowe están a cargo de la investigación del segundo tipo de estructura, la que está compuesta por un polímero microporoso. Esta estructura ha producido buenos resultados en estudios realizados en animales como una alternativa al transplante de células pancreáticas para tratar la diabetes. “Shea y Lowe han comparado el método de crear una estructura con el método tradicional de transplante y han hallado que, en algunos modelos, la estructura puede curar un porcentaje más elevado de animales en un período de tiempo más reducido”, sostiene el Dr. Stupp.

En la actualidad, el equipo está avanzando aun más en la investigación ya que está diseñando la estructura de modo tal que tenga la capacidad de liberar factores de crecimiento conforme a un cronograma específico. “Los factores de crecimiento tienen un rol muy importante en relación a la diferenciación celular y a la elaboración de tejido, pero dichos factores de crecimiento están expuestos a las células en secuencias de tiempo muy específicas. Estamos intentando recrear estos procesos de la biología del desarrollo y adaptarlos a una estructura regenerativa para producir una suerte de programa incorporado dentro de la estructura”, explica el Dr. Stupp.

“Lo que estamos intentando hacer es recrear todas las señales que obtienen los tejidos en el desarrollo biológico normal”, afirma el Dr. Stupp. “Los científicos están realizando avances en la comprensión del significado de esas señales, pero éstas son muy complicadas.” Por ejemplo, para funcionar adecuadamente, es posible que un tipo determinado de neuronas necesite señales de 10 proteínas diferentes en un lapso específico. “Nosotros tomamos esa información y en cierta forma la recreamos sintéticamente en una estructura diseñada molecularmente que tiene la capacidad de activar los complejos procesos biológicos”, expresa el Dr. Stupp. “Esto presenta un gran desafío para la química y la ciencia de los materiales”.

Los trabajos de investigación del Dr. Stupp con relación a la creación de una estructura regenerativa están financiados por el National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. Asimismo, el National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares), la National Science Foundation (Fundación Nacional de Ciencias) y el Departamento de Energía del gobierno de los Estados Unidos proporcionan financiación adicional.

Referencias

Behanna HA, Donners JJ, Gordon AC, Stupp SI. Coassembly of amphiphiles with opposite polarity into nanofibers. Journal of the American Chemical Society 127:1193-1200, 2005.

Bull SR, Guler MO, Bras RE, Meade TJ, Stupp SI. Self-assembled peptide amphiphile nanofibers conjugated to MRI contrast agents. Nanotechnology Letters 5:1-4, 2005.

Silva GA, Czeisler C, Niece KL, Beniash E, Harrington DA, Kessler JA, Stupp SI. Selective differentiation of neural progenitor cells by high epitope density. Science 303:1352-1355, 2004.