Superestruturas de moléculas podem ajudam a criar neurônios para a medicina regenerativas
Novo biomaterial impresso em 3D imita propriedades de tecidos vivos
Ao descobrir um novo biomaterial imprimível que pode imitar as propriedades do tecido cerebral, os pesquisadores estão agora mais perto de desenvolver uma plataforma capaz de tratar doenças usando a medicina regenerativa.
Imagine se os cirurgiões pudessem transplantar neurônios saudáveis em pacientes que vivem com doenças neurodegenerativas ou lesões cerebrais e da medula espinhal. E imagine se eles pudessem "fazer crescer" esses neurônios em laboratório a partir das células do próprio paciente, usando um material sintético altamente bioativo adequado para impressão 3D.
Ao descobrir um novo biomaterial imprimível que pode imitar as propriedades do tecido cerebral, os pesquisadores da Northwestern University estão agora mais perto de desenvolver uma plataforma capaz de tratar essas doenças usando a medicina regenerativa.
Um ingrediente chave para a descoberta é a capacidade de controlar os processos de automontagem de moléculas dentro do material, permitindo aos pesquisadores modificar a estrutura e as funções dos sistemas da nanoescala à escala de recursos visíveis. O laboratório de Samuel I. Stupp publicou um artigo de 2018 na revista Science que mostrou que os materiais podem ser projetados com moléculas altamente dinâmicas programadas para migrar por longas distâncias e se auto-organizar para formar feixes "superestruturados" maiores de nanofibras.
Agora, um grupo de pesquisa liderado por Stupp demonstrou que essas superestruturas podem aumentar o crescimento de neurônios, uma descoberta importante que pode ter implicações para estratégias de transplante de células para doenças neurodegenerativas como Parkinson e Alzheimer, bem como lesão da medula espinhal.
"Este é o primeiro exemplo em que fomos capazes de pegar o fenômeno de remodelagem molecular relatado em 2018 e aproveitá-lo para uma aplicação na medicina regenerativa", disse Stupp, o principal autor do estudo e diretor do Simpson Querrey da Northwestern Instituto. "Também podemos usar construções do novo biomaterial para ajudar a descobrir terapias e compreender patologias."
Um pioneiro da automontagem supramolecular, Stupp é também Professor do Conselho de Curadores de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica e tem cargos no Weinberg College of Arts and Sciences, na McCormick School of Engineering e na Feinberg School of Medicamento.
O artigo foi publicado hoje (22 de fevereiro) na revista Advanced Science .
Moléculas ambulantes e impressão 3D
O novo material é criado pela mistura de dois líquidos que rapidamente se tornam rígidos como resultado de interações conhecidas na química como complexos hospedeiro-hóspede que imitam interações key-lock entre proteínas e também como resultado da concentração dessas interações em escala mícron regiões através de uma migração em larga escala de "moléculas ambulantes".
As moléculas ágeis cobrem uma distância milhares de vezes maior do que elas mesmas para se unir em grandes superestruturas. Na escala microscópica, essa migração causa uma transformação na estrutura do que parece ser um pedaço cru de macarrão ramen em feixes semelhantes a cordas.
"Biomateriais típicos usados na medicina, como hidrogéis de polímero, não têm a capacidade de permitir que as moléculas se automontem e se movam dentro dessas montagens", disse Tristan Clemons, pesquisador associado do laboratório Stupp e co-autor do artigo com Alexandra Edelbrock, uma ex-aluna de pós-graduação do grupo. "Este fenômeno é exclusivo dos sistemas que desenvolvemos aqui."
Além disso, conforme as moléculas dinâmicas se movem para formar superestruturas, grandes poros se abrem, permitindo que as células penetrem e interajam com sinais bioativos que podem ser integrados aos biomateriais.
Curiosamente, as forças mecânicas da impressão 3D interrompem as interações hospedeiro-hóspede nas superestruturas e fazem com que o material flua, mas pode se solidificar rapidamente em qualquer forma macroscópica porque as interações são restauradas espontaneamente por automontagem. Isso também permite a impressão 3D de estruturas com camadas distintas que abrigam diferentes tipos de células neurais para estudar suas interações.
Sinalização de crescimento neuronal
A superestrutura e as propriedades bioativas do material podem ter grandes implicações para a regeneração do tecido. Os neurônios são estimulados por uma proteína no sistema nervoso central conhecida como fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), que ajuda os neurônios a sobreviver promovendo conexões sinápticas e permitindo que os neurônios sejam mais plásticos. O BDNF pode ser uma terapia valiosa para pacientes com doenças neurodegenerativas e lesões na medula espinhal, mas essas proteínas se degradam rapidamente no corpo e são caras de produzir.
Uma das moléculas do novo material integra um mimetizador dessa proteína que ativa seu receptor conhecido como Trkb, e a equipe descobriu que os neurônios penetram ativamente nos grandes poros e povoam o novo biomaterial quando o sinal mimético está presente. Isso também pode criar um ambiente no qual os neurônios diferenciados das células-tronco derivadas de pacientes amadurecem antes do transplante.
Agora que a equipe aplicou uma prova de conceito aos neurônios, Stupp acredita que agora pode entrar em outras áreas da medicina regenerativa aplicando diferentes sequências químicas ao material. Mudanças químicas simples nos biomateriais permitiriam que eles fornecessem sinais para uma ampla gama de tecidos.
"A cartilagem e o tecido cardíaco são muito difíceis de regenerar após lesão ou ataque cardíaco, e a plataforma poderia ser usada para preparar esses tecidos in vitro a partir de células derivadas de pacientes", disse Stupp. "Esses tecidos poderiam ser transplantados para ajudar a restaurar as funções perdidas. Além dessas intervenções, os materiais poderiam ser usados para construir organóides para descobrir terapias ou mesmo implantados diretamente em tecidos para regeneração, uma vez que são biodegradáveis."
O trabalho foi apoiado pelo Center for Regenerative Nanomedicine do Simpson Querrey Institute da Northwestern, bolsas de pesquisa de pós-graduação através da National Science Foundation e American Australian Association Fellowship.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Northwestern University . Original escrito por Lila Reynolds. Nota: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
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Referência do jornal :
- Alexandra N. Edelbrock, Tristan D. Clemons, Stacey M. Chin, Joshua JW Roan, Eric P. Bruckner, Zaida Álvarez, Jack F. Edelbrock, Kristen S. Wek, Samuel I. Stupp. Biomateriais superestruturados formados por Exchange Dynamics e interações hospedeiro-hóspede em polímeros supramoleculares . Ciência Avançada , 2021; 2004042 DOI: 10.1002 / advs.202004042
Cite esta página :
Northwestern University. "Superestruturas de moléculas 'ambulantes' podem ajudar a criar neurônios para a medicina regenerativa: o novo biomaterial impresso em 3D imita as propriedades dos tecidos vivos." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 de fevereiro de 2021.