Nanotecnología para mejorar el crecimiento de tejidos humanos en el laboratorio

Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) desarrollan un novedoso andamio que permite el crecimiento de tejido muscular en el laboratorio a escala milimétrica.

Esta tecnología abre la puerta a potenciales aplicaciones en campos como por ejemplo, el trasplante de órganos y la ingeniería, el cribaje de fármacos y el modelado de enfermedades.

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La industria farmacéutica para la medicina se basa en la producción de medicamentos que deben pasar exhaustivos ensayos, en su gran mayoría en modelos animales o en cultivos celulares in vitro. El primero implica algunos problemas éticos además de la dificultad de extrapolar los datos a las condiciones humanas. Por otro lado, los cultivos celulares in vitro son difíciles de establecer ya que es complicado simular las complejas interacciones célula-célula y célula-matriz decisivas en la regulación del crecimiento celular.

Ahora, el grupo de investigación del IBEC “Biosensores para la Bioingeniería”, dirigido por el Profesor de Investigación ICREA Javier Ramón-Azcón, publica en la revista Nanoscale Advances un innovador andamio, basado en nanotubos de carbono y en tecnología de criogel, que permite el crecimiento de tejidos a escala milimétrica en el laboratorio. Esta tecnología puede utilizarse como sustituto de modelos animales y de cultivo de células in vitro para el descubrimiento de fármacos. Además, este nuevo soporte tendrá sin duda un impacto muy positivo en otros campos como el de los trasplantes, la regeneración de órganos y la modelización de enfermedades, ya que mejorará la tecnología de “órgano en un chip” que simula las actividades, la mecánica y la fisiología de órganos enteros.

El nuevo andamio combina nanotubos de carbono con tecnología criogel

El andamio recientemente desarrollado reúne las propiedades regeneradoras de la gelatina, la estabilidad mecánica de la celulosa y los nanotubos de carbono, que mejoran la estabilidad mecánica y las características eléctricas. La originalidad de este trabajo está en que los investigadores aplicaron la tecnología de criogel, que consiste en congelar el andamio, para obtener la configuración de microporos. La estructura de microporos es de crucial importancia porque permite la correcta difusión de nutrientes entre las células. Durante el proceso de congelación, el agua forma cristales de hielo dentro de la estructura, y una vez descongelados, dejan poros vacíos. Otro aspecto innovador es que aquí la direccionalidad de la congelación se forzó desde un solo eje, porque las células del músculo esquelético necesitan una morfología altamente alineada para fusionarse. Las células del músculo esquelético forman el tejido muscular estriado que da movimiento al cuerpo a través de la acción del sistema nervioso.

Esta técnica permite generar tejido muscular esquelético a escala milimétrica simulando su entorno 3D sobre un andamio, ya que este tiene una alta conectividad entre los poros y una mayor estabilidad mecánica que otros andamios previamente desarrollados basados en hidrogeles. En este caso, las propiedades eléctricas del andamio son un aspecto relevante ya que las células musculares se someten constantemente a contracciones en respuesta a señales nerviosas trasmitidas eléctricamente. Con la utilización de nanotubos de carbono, este andamio permite la aplicación de pulsos eléctricos que estimularán el desarrollo del tejido y su maduración.

Crecer tejidos en el laboratorio para estudiar las respuestas celulares

La ingeniería de tejidos es uno de los campos más prometedores de la medicina del futuro, y su objetivo es fabricar, reparar y/o reemplazar tejidos y órganos. Lo hace creando tejidos que crecen sobre andamios, uno de los principales pilares de esa tecnología. En pocas palabras, los investigadores ponen algunas células sobre el andamio y les proporcionan los nutrientes y las fuerzas mecánicas necesarias para que desarrollen un tejido. La integración de tejidos 3D funcionales con biosensores a microescala es la base de la tecnología “órganos en un chip”. Esa tecnología permite por ejemplo detectar respuestas celulares frente a estímulos externos y la monitorización de la calidad de su micro-ambiente (como metabolitos y nutrientes).

Esta nueva técnica de fabricación, combinando la cryogelificacion anisotrópica y los nanotubos de carbono, permitirá generar tejido muscular a escala milimétrica, para multitud de aplicaciones como por ejemplo en la tecnología de órganos en un chip.

Ferran Velasco-Mallorquí, primer autor del artículo y PhD en el laboratorio de Javier Ramón. 

El problema es que con los andamios disponibles hasta el momento no era posible llegar a la escala milimétrica, dificultando el estudio de tejidos grandes, debido a la deficiencia en la difusión de nutrientes, la ausencia de una estructura interna adecuada para alinear las células y a unas propiedades mecánicas y eléctricas insuficientes. El nuevo andamio desarrollado por el grupo del Dr. Ramón-Azcón soluciona los principales problemas encontrados para crecer tejidos musculares grandes ya que mejora tanto las propiedades eléctricas como la microarquitectura de poros.


Artículo de referencia: 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 trabajo 

  • Proceso de formación de tejido muscular 
  • Principio de la técnica de criogel 
  • Esquema del proceso para forzar la direccionalidad de congelación del criogel 
  • Imagen de un andamio