Nanotecnologia per a millorar el creixement dels teixits humans al laboratori

Investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) desenvolupen una innovadora bastida que permet el creixement de teixit muscular en el laboratori, a escala mil·limètrica. Aquesta tecnologia, obre una porta a potencials aplicacions en els camps del trasplantament d’òrgans i l’enginyeria, el cribratge de fàrmacs i el modelatge de malalties.


Read more…

La indústria farmacèutica per a la medicina es basa en la producció de medicaments que han de passar exhaustius assaigs, majoritàriament en models animals o en cultius cel·lulars in vitro. El primer implica alguns problemes ètics, a més de dificultats per extrapolar les dades a les condicions humanes. D’altra banda, els cultius cel·lulars in vitro són difícils d’establir, ja que és complicat simular les complexes interaccions cèl·lula-cèl·lula i cèl·lula-matriu, decisives en la regulació del creixement cel·lular.

Ara, el grup de recerca de l’IBEC “Biosensors per a la Bioenginyeria” dirigit pel Professor d´Investigació ICREA Javier Ramón-Azcón, publica a la revista Nanoscale Advances una innovadora bastida basada en nanotubs de carboni i en tecnologia de criogel, que permet el creixement de teixits a escala mil·limètrica al laboratori. Aquesta tecnologia pot utilitzar-se com a substitut de models animals i de cultiu de cèl·lules in vitro per al descobriment de fàrmacs. A més, aquest nou suport tindrà sens dubte un impacte molt positiu en altres camps com el dels trasplantaments, la regeneració d’òrgans i el modelatge de malalties, ja que millorarà la tecnologia d’òrgan-en-un-xip que simula les activitats, la mecànica i la fisiologia d’òrgans sencers.

La nova bastida combina nanotubs de carboni amb tecnologia criogel

La nova bastida, recentment desenvolupada, reuneix les propietats regeneradores de la gelatina, l’estabilitat mecànica de la cel·lulosa i els nanotubs de carboni, que milloren l’estabilitat mecànica i les característiques elèctriques. L’originalitat d’aquest treball està en el fet que els investigadors van aplicar la tecnologia criogel, que consisteix en congelar la bastida, per obtenir la configuració de microporus. L’estructura de microporus és de crucial importància, perquè permet la correcta difusió de nutrients entre les cèl·lules. Durant el procés de congelació, l’aigua forma cristalls de gel dins de l’estructura, i una vegada descongelats, deixen els porus vuits. Un altre aspecte innovador és que aquí, la direccionalitat de congelació, es va forçar des d’un sol eix, perquè les cèl·lules del múscul esquelètic necessiten una morfologia altament alineada per a fusionar-se. Les cèl·lules del múscul esquelètic formen el teixit muscular estirat que dóna moviment al cos a través de l’acció del sistema nerviós.

Aquesta tècnica permet generar teixit muscular esquelètic a escala mil·limètrica, simulant el seu entorn 3D sobre una bastida, ja que aquesta té una alta connectivitat entre els porus i una major estabilitat mecànica que altres bastides prèviament desenvolupades basades en hidrogels. En aquest cas, les propietats elèctriques de la bastida són un aspecte rellevant, ja que les cèl·lules musculars se sotmeten constantment a contraccions en resposta a senyals nervioses transmeses elèctricament. Amb l’ús de nanotubs de carboni, aquesta bastida permet l’aplicació de polsos elèctrics que estimularan el desenvolupament del teixit i la seva maduració.

Fer créixer teixits al laboratori per a estudiar les respostes cel·lulars

L’enginyeria de teixits és un dels camps més prometedors de la medicina del futur, i el seu objectiu és fabricar, reparar i/o reemplaçar teixits i òrgans. Això ho fa creant teixits que creixen sobre bastides, un dels principals pilars d’aquesta tecnologia. En poques paraules, els investigadors posen cèl·lules sobre la bastida i els hi proporcionen els nutrients i les forces mecàniques necessàries perquè desenvolupin un teixit. La integració de teixits 3D funcionals amb biosensors a microescala és la base de la tecnologia “òrgan-en-un-xip”. Aquesta tecnologia permet, per exemple, detectar respostes cel·lulars davant d’estímuls externs i la monitoratge de la qualitat del seu microambient (com metabòlits o nutrients).

Aquesta nova tècnica de fabricació, combinant la criogelificació anisotròpica i els nanotubs de carboni, permetrà generar teixit muscular a escala mil·limètrica, per a multitud d’aplicacions, com per exemple, en la tecnologia dels òrgans-en-un-xip.

Ferran Velasco-Mallorquí, primer autor de l’article i PhD en el laboratori de Javier Ramón.

El problema és que amb les bastides disponibles fins al moment, no era possible arribar a l’escala mil·limètrica, cosa que dificultava l’estudi de teixits grans, a causa de la deficiència en la difusió de nutrients, l’absència d’una estructura interna adequada per a alinear les cèl·lules i a unes propietats mecàniques i elèctriques insuficients. La nova bastida desenvolupada pel grup del Dr. Ramón-Azcón soluciona els principals problemes per a fer créixer teixits musculars grans, ja que millora tant les propietats elèctriques com la microarquitectura de porus.


Artícle de referència: New volumetric CNT-doped Gelatin-Cellulose scaffold for skeletal muscle tissue engineering. Velasco-Mallorquí, F., Fernández-Costa, J.M., Neves, L., Ramón-Azcón, J. Nanoscale Adv., 2020, Advance Article. DOI: 10.1039/D0NA00268B

Figura: Vista general del treball 

  • Procés de formació del teixit muscular 
  • Principi de la tècnica de criogel 
  • Esquema del procés per a forçar la direccionalitat de congelació del criogel 
  • Imatge d’una bastida