Utilizzando un nuovo tipo di "raggio restringente", Gli scienziati di UT Austin possono alterare la superficie di un tampone di idrogel in tempo reale, creando solchi (blu) e altri modelli senza disturbare le cellule viventi, come questa cellula di fibroblasti (rossa) che modella il comportamento delle cellule della pelle umana. La rapida comparsa di tali caratteristiche superficiali durante la crescita cellulare può imitare le condizioni dinamiche sperimentate durante lo sviluppo e la riparazione dei tessuti (ad es. nella guarigione delle ferite e nella ricrescita dei nervi). Credito:Jason Shear/Università del Texas ad Austin.
Da "Viaggio fantastico" a "Cattivissimo me, " i raggi restringenti sono stati un punto fermo della fantascienza sullo schermo. Ora i chimici dell'Università del Texas ad Austin hanno sviluppato un vero raggio restringente che può cambiare le dimensioni e la forma di un blocco di materiale simile al gel mentre le cellule umane o batteriche crescono su Questo nuovo strumento è promettente per i ricercatori biomedici, compresi quelli che cercano di far luce su come far crescere tessuti e organi sostitutivi per gli impianti.
"Capire, e nel futuro ingegnere, il modo in cui le cellule rispondono alle proprietà fisiche del loro ambiente, vuoi avere materiali rimodellabili dinamicamente, " ha detto Jason B. Shear, professore di chimica e co-inventore del nuovo strumento.
L'opera è stata pubblicata oggi online nel Giornale della Società Chimica Americana .
Il vero potere di restringere il materiale utilizzato per far crescere le cellule, chiamato substrato, non è tanto nel renderlo più piccolo quanto nel modificare selettivamente la forma e la consistenza della superficie. Controllando con precisione quali parti dell'interno del materiale si restringono, i ricercatori possono creare caratteristiche 3D specifiche sulla superficie, inclusi dossi, scanalature e anelli. È come pizzicare un tappeto dal basso per formare picchi e valli sulla superficie.
I ricercatori possono anche modificare la posizione e le forme delle caratteristiche della superficie con il passare del tempo, per esempio trasformare una montagna in una talpa o anche in una dolina, imitando la natura dinamica dell'ambiente in cui le cellule tipicamente vivono, crescere e muoversi.
L'esposizione mirata al nuovo "raggio restringente" riduce selettivamente i cuscinetti proteici gelatinosi negli angoli e nella posizione centrale di una disposizione tic-tac-toe. Ogni pad ha le dimensioni di una cellula umana. Credito:Jason Shear/Università del Texas ad Austin.
Il raggio di restringimento è un laser nel vicino infrarosso che può essere focalizzato su piccoli punti all'interno del substrato. Il substrato sembra e si comporta un po' come un blocco di Jell-O. A livello microscopico, è fatto di proteine mescolate e intrecciate come un mucchio di filati. Quando il laser colpisce un punto all'interno del substrato, si formano nuovi legami chimici tra le proteine, attirandoli più strettamente, un cambiamento che altera anche la forma della superficie mentre viene tirata dal basso. I ricercatori scansionano il laser attraverso una serie di punti all'interno del substrato per creare qualsiasi contorno di superficie desiderato in qualsiasi punto in relazione alle cellule mirate.
A differenza di altri metodi per alterare il substrato sotto le cellule viventi, il raggio termoretraibile UT Austin non riscalda né altera chimicamente la superficie, danneggiare le cellule viventi o causare il distacco delle cellule dalla superficie. E consente la formazione di qualsiasi modello 3D su richiesta mentre si osservano le cellule in crescita attraverso un microscopio.
I piani immediati dei ricercatori dell'UT Austin sono di utilizzare lo strumento per indagare su questioni scientifiche fondamentali che circondano la crescita e la migrazione cellulare, sforzi che potrebbero consentire varie future applicazioni mediche. Per esempio, l'approccio può portare a materiali e procedure che promuovono la guarigione delle ferite o la ricrescita dei nervi, o assistere nella crescita e nell'impianto di tessuti sostitutivi con successo, come le valvole cutanee o cardiache.
"Per far crescere i tessuti in un piatto che sarà efficace una volta impiantato, dobbiamo prima capire, quindi imitare meglio l'ambiente in cui si sviluppano tipicamente nei nostri corpi, " disse Shear.
Un'altra potenziale applicazione sarebbe nella ricerca di base su come la topografia di una superficie influenzi la formazione di pericolose colonie batteriche chiamate biofilm. Biofilm microbici:densi, tappetini appiccicosi di batteri che si formano sulle apparecchiature mediche e possono portare a infezioni difficili da trattare:contribuiscono alle infezioni trasmesse in ospedale per un massimo di 1 milione di persone negli Stati Uniti ogni anno. Se gli scienziati possono capire meglio quali caratteristiche topografiche impediscono la formazione di biofilm, e come le caratteristiche che cambiano nel tempo possono influenzare il processo, potrebbero essere in grado di sviluppare rivestimenti per dispositivi biomedici che ne bloccano la formazione e prevengono infezioni difficili da trattare.
