Nuevo maniquí para estudiar tratamientos de fibrosis sin el uso de animales – ScienceDaily

Un nuevo modelo de prueba de laboratorio desarrollado por investigadores de la Universidad de Brown utiliza células humanas y replica no solo la estructura del tejido humano, sino también su mecánica.

Los investigadores describen el modelo en un ciencia avanzada estudio publicado el martes 1 de febrero.

«Este modelo ofrece a los investigadores una nueva herramienta no solo para explorar los mecanismos subyacentes a la fibrosis y las enfermedades hereditarias de la matriz extracelular, sino también para probar posibles tratamientos para ellas», dijo el autor principal Jeff Morgan, profesor de patología y medicina de laboratorio de la Universidad de Brown. e ingeniería.

Este desarrollo es crucial, agregó Morgan, porque no hay tratamientos para la fibrosis y los trastornos de la matriz extracelular como el síndrome de Ehlers-Danlos y el síndrome de Marfan necesitan nuevos tratamientos.

Encuadre el problema

La clave de la funcionalidad del nuevo modelo es que no incluye un andamio artificial externo para las células; utiliza un nuevo enfoque en el que las células se aprovechan para crear su propia matriz extracelular natural.

La mayoría de los enfoques de ingeniería de tejidos se basan en el uso de andamios de proteínas o polímeros, explicó el coautor del estudio Ben Wilks, quien tiene un Ph. en ingeniería biomédica de Brown y ahora es investigador en la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts. Los métodos convencionales implican el cultivo de células en el plástico, mientras que los enfoques más nuevos incorporan las células en un hidrogel de colágeno para imitar la matriz extracelular. Este nuevo enfoque va mucho más allá: permite que las células sinteticen y ensamblen su propia matriz extracelular humana.

En las últimas décadas, ha habido un cambio en la comprensión científica de la matriz extracelular de los tejidos. La matriz no solo brinda soporte estructural, sino que también se comunica con las células a través de la transmisión de señales mecánicas y bioquímicas. Esta comunicación bidireccional dinámica entre la matriz y las células juega un papel crucial en el mantenimiento de la homeostasis celular y la función de los tejidos, dijo Wilks.

«Estamos interesados ​​en cómo los cambios en los nutrientes, los factores de crecimiento o los tratamientos farmacológicos afectan la síntesis celular y la remodelación de la matriz extracelular y las propiedades mecánicas resultantes de las construcciones de tejido», dijo Wilks. «Por lo tanto, un enfoque sin andamios es mucho más adecuado para estudiar las preguntas que estamos haciendo».

Los investigadores del laboratorio de Morgan en Brown han estado estudiando la ingeniería de tejidos sin andamios durante más de 15 años. El objetivo del laboratorio es desarrollar herramientas que permitan a los científicos aprovechar las propiedades intrínsecas de las células para ensamblar tejidos 3D y sintetizar su propia matriz extracelular, explicó Morgan. El laboratorio ha desarrollado una tecnología que permite a los investigadores controlar la forma 3D de construcciones de tejidos diseñados, formando esferas, anillos o geometrías más complejas, explotando un fenómeno que llaman autoensamblaje celular.

Sin embargo, el autoensamblaje celular parecía funcionar de manera diferente con los fibroblastos, una célula altamente contráctil que se encuentra en todo el cuerpo y que desempeña un papel importante en la cicatrización de heridas, la síntesis y degradación de la matriz extracelular y la homeostasis de los tejidos.

La rigidez del tejido que es característica de la fibrosis progresiva, por ejemplo, se debe al comportamiento anormal de los fibroblastos que se acumulan y modifican la matriz extracelular de una manera que finalmente resulta en una pérdida de la función del órgano.

Cuando los investigadores aplicaron la tecnología del laboratorio a los fibroblastos, las construcciones de tejido se rompieron espontáneamente.

Como estudiante de doctorado en el laboratorio de Morgan, Wilks descubrió que alterar la composición de los nutrientes en los que se cultivaban las células ayudaría a estabilizar la formación de construcciones de tejido durante días, semanas o incluso meses.

Además, Wilks reconoció que al ajustar parámetros adicionales, como la geometría del molde y el número de células, podía formar construcciones o patrones estables de tejido 3D en forma de anillo, lo que aliviaba la tensión que causaba que los fibroblastos se orientaran y sintetizaran su propia matriz extracelular. .

«Ahí fue donde realmente comencé a emocionarme: cuando vi cómo los fibroblastos se alineaban y sintetizaban esta hermosa matriz extracelular 3D rica en colágeno en un patrón de onda periódica que se asemeja a lo que se ve en los tejidos conectivos nativos, como los ligamentos y los tendones», dijo Wilks. «Nunca lo había visto antes en una construcción de tela diseñada».

Una prueba de fuerza

Wilks se preguntó si era posible cuantificar la rigidez y la fuerza de las construcciones de tejido para permitir a los investigadores replicar el tejido normal y el tejido afectado por la enfermedad.

Usando una máquina de prueba de tracción llamada Instron, el equipo midió cuánta fuerza se necesitaba para estirar la tela hasta que se rompiera. Este tipo de datos se puede utilizar para evaluar propiedades mecánicas como la resistencia y la rigidez de los tejidos, que luego se pueden relacionar con los tejidos del cuerpo humano. También se puede usar para medir cómo la adición de un fármaco alteraría la resistencia y la rigidez del tejido.

Por ejemplo, dijo Wilks, los datos se pueden usar para probar si un candidato a fármaco antifibrótico interrumpe la característica de rigidez del tejido de las enfermedades fibróticas.

«En este trabajo, desarrollamos un modelo 3D de tejido conectivo que nos permite cuantificar directamente cómo la exposición de las células en un entorno 3D a diferentes nutrientes, factores de crecimiento o tratamientos farmacológicos da como resultado cambios en la síntesis y la mecánica de la matriz extracelular del tejido, que es una métrica funcional importante de los tejidos y se usa clínicamente para monitorear la progresión de la enfermedad», dijo Wilks. «Aunque aún queda mucho trabajo por hacer, creemos que este modelo es prometedor para la detección de posibles fármacos antifibróticos. Esto abordaría una importante necesidad no satisfecha, ya que actualmente no hay tratamientos disponibles que puedan detener o revertir por completo la fibrosis». .

El nuevo modelo es una de las construcciones más avanzadas para representar la arquitectura 3D, la composición y la mecánica de los tejidos conectivos nativos, como ligamentos y tendones, dijeron los investigadores. Los modelos animales son costosos, éticamente controvertidos y no siempre predicen la fisiopatología humana, dijo Morgan, quien dirige el Centro de Alternativas a los Animales en las Pruebas de la Universidad de Brown.

Agregó que este tipo de investigación es un trampolín valioso para crear modelos sofisticados que puedan reemplazar y superar el uso de animales.

Vídeo: https://youtu.be/IeZwwAkWk-8