La nueva tecnología para manipular células podría algún día ayudar a tratar el Parkinson, la artritis y otras enfermedades

Las hebras de ADN en los materiales actúan como señales de tráfico para iniciar, detener la actividad celular o regenerar tejidos.

Por  Kristin Samuelson

EVANSTON, Ill. – Un avance innovador en materiales de la Universidad Northwestern podría ayudar potencialmente a los pacientes que requieren terapias con células madre para lesiones de la médula espinal, accidente cerebrovascular, enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer, articulaciones artríticas o cualquier otra afección que requiera regeneración de tejidos, según un nuevo estudio.

“En el contexto de las terapias celulares, es importante que las personas curen estas enfermedades o regeneren tejidos que ya no son funcionales”, dijo el autor principal,  Samuel I. Stupp , director del  Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología de Northwestern  y profesor de ciencia de los materiales y del consejo de administración. Ingeniería, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica.

El estudio fue  publicado hoy, 10 de julio, en Nature Communications .

Las células de nuestro cuerpo reciben señales constantemente con muchos tipos de instrucciones provenientes de proteínas y otras moléculas presentes en las matrices que las rodean. Por ejemplo, estos pueden ser señales para que las células expresen genes específicos para que puedan proliferar o diferenciarse en varios tipos de células que conducen al crecimiento o regeneración de tejidos. Una de las maravillas de esta maquinaria de señalización es la capacidad incorporada en los organismos vivos para hacer que las señales se detengan y se reinicien según sea necesario, o para apagar una señal y activar otra diferente para orquestar procesos muy complejos. Construir materiales artificiales con este tipo de capacidad dinámica para terapias regenerativas ha sido prácticamente imposible hasta ahora.

El nuevo trabajo publicado hoy informa del desarrollo del primer material sintético que tiene la capacidad de desencadenar de forma reversible este tipo de señalización dinámica. La plataforma no solo podría generar materiales que manejen células madre para terapias regenerativas más efectivas, sino que también permitirá a los científicos explorar y descubrir en el laboratorio nuevas formas de controlar el destino de las células y sus funciones.

Uno de los hallazgos es la posibilidad de usar el material sintético para indicar a las células madre neurales que proliferen, luego, en un momento específico seleccionado por el operador, desencadenar su diferenciación en neuronas y luego devolver las células madre a un estado proliferativo a pedido.

El documento también informa que las células madre neurales de la médula espinal, inicialmente agrupadas en estructuras conocidas como “neuroesferas”, pueden ser impulsadas para expandirse y diferenciarse mediante una señal. Pero cuando esta señal se apaga, las células se reagrupan espontáneamente en colonias. Esto descubre fuertes interacciones entre estas células que podrían ser importantes para comprender las señales de desarrollo y regeneración.

La proliferación y diferenciación de células madre se puede desencadenar en múltiples ciclos con tecnología de nuevos materiales

El uso potencial de la nueva tecnología para manipular células podría ayudar a curar a un paciente con la enfermedad de Parkinson. Las propias células de la piel del paciente podrían convertirse en células madre utilizando las técnicas existentes. La nueva tecnología podría ayudar a expandir las células madre recién convertidas in vitro, en el laboratorio, y luego impulsar su diferenciación en neuronas productoras de dopamina antes de volver a trasplantarlas al paciente.

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En la nueva tecnología, los materiales están decorados químicamente con diferentes hebras de ADN, cada una diseñada para mostrar una señal diferente a las células. Para activar las señales a las células, se agregan al material moléculas solubles que contienen cadenas de ADN complementarias acopladas a péptidos para crear dobles hélices de ADN que muestran la señal. Al agregar unas gotas del conjugado de ADN-péptido, se da luz verde para producir más células madre. El enfoque para dotar al material de inteligencia dinámica consiste en exponer la superficie a una molécula de ADN monocatenario soluble diseñada para “agarrar” la cadena que contiene la señal del dúplex y formar una nueva doble hélice de ADN. Este nuevo dúplex ya no está adherido a la superficie del material y se lava, apagando así la señal biológica. Para volver a encender la señal,

“A la gente le encantaría tener terapias celulares que utilicen células madre derivadas de sus propios cuerpos para regenerar tejidos”, dijo Stupp. “En principio, esto eventualmente será posible, pero se necesitan procedimientos que sean efectivos para expandir y diferenciar células para hacerlo. Nuestra tecnología hace eso”.

Iniciar o detener la actividad celular existía antes; esta investigación descubrió cómo reiniciar y detener la actividad celular varias veces

Si bien este proceso actualmente solo se realiza in vitro con la visión de luego trasplantar células, Stupp dijo que en el futuro podría ser posible realizar este proceso in vivo. Las células madre se implantarían en la clínica, se encapsularían en el tipo de material descrito en el nuevo trabajo, a través de una inyección y se dirigirían a un lugar en particular. Luego, las moléculas solubles se le darían al paciente para manipular la proliferación y diferenciación de las células trasplantadas.

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La investigación se llevó a cabo en el Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología de Northwestern. El Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial de los Institutos Nacionales de la Salud (subvención 5R01DE015920) proporcionó fondos para experimentos biológicos, y el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas proporcionó fondos para el desarrollo de nuevos materiales (subvenciones DE -FG01-00ER45810 y DE-SC0000989 que respaldan un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas sobre Ciencias de la Energía Bioinspiradas (CBES)).

El documento se titula “Instruyendo a las células con híbridos de ADN de péptidos programables”. Samuel I. Stupp es el autor principal del artículo, los becarios posdoctorales Ronit Freeman y Nicholas Stephanopoulos (ahora profesor asistente en la Universidad Estatal de Arizona) son los autores principales, y la becaria posdoctoral Zaida Alvarez-Pinto es coautora del estudio. .

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