Un nuovo metodo per manipolare gli ambienti gelatinosi che ospitano le cellule staminali potrebbe aiutare i ricercatori a dirigere la crescita di queste cellule versatili nell'osso, tendine, tessuto o altri lignaggi specifici, afferma un ingegnere biomedico della Texas A&M University che ha sviluppato l'approccio.
Lavorando con idrogel a base di collagene, che sono gel biodegradabili utilizzati in una serie di applicazioni biomediche a causa della loro compatibilità con il corpo e i suoi processi, Akhilesh Gaharwar ha sviluppato un metodo per modulare la loro rigidità senza influenzare la chimica o la struttura, un risultato che potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca sulle cellule staminali. Gaharwar, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università, ha pubblicato le sue scoperte sulla rivista scientifica ACS Nano . L'articolo completo è accessibile su pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b03918.
Nello specifico, Gaharwar è stato in grado di aumentare la rigidità di un idrogel di 10 volte e la sua tenacità di 20 volte attraverso un processo in cui aggiunge una piccola quantità di nanoparticelle magnetiche agli idrogel a base di collagene. L'intero processo è completo in pochi secondi, e gli consente di personalizzare il gel lungo vari gradi di rigidità e tenacità, a seconda della quantità di nanoparticelle nel materiale, dice Gaharwar.
Il processo, Aggiunge, ha un altro netto vantaggio:è compatibile con le cellule. Poiché Gaharwar utilizza concentrazioni estremamente basse di nanoparticelle, il suo processo non altera significativamente la composizione chimica dell'idrogel.
Controllo delle proprietà fisiche degli idrogel, Gaharwar spiega, è essenziale perché questi gel devono essere durevoli e allo stesso tempo abbinare le proprietà dei tessuti che simulano quando vengono distribuiti nel corpo, ad esempio quando agiscono come impalcature che aiutano nella guarigione delle lesioni interne. Questa è solo una delle numerose applicazioni biomediche che l'idrogel di Gaharwar potrebbe avere un impatto. Oltre alle applicazioni di ingegneria dei tessuti, L'idrogel meccanicamente potenziato di Gaharwar potrebbe far progredire gli approcci alla somministrazione dei farmaci, biosensori e altre tecnologie, ma potrebbe svolgere un ruolo ancora più importante come strumento per conoscere le cellule staminali, lui dice. Il sistema, lui spiega, potrebbe consentire ai ricercatori di comprendere meglio come si comportano le cellule staminali e persino di controllare come si differenziano in tipi specifici di cellule.
Conosciuti per la loro capacità di svilupparsi in diversi tipi di cellule, come un muscolo, cellule del sangue o del cervello:le cellule staminali hanno il potenziale per fungere da sistema di riparazione interno, reintegrare altre cellule. Chiave di questa trasformazione, note di Gaharwar, è il microambiente che circonda le cellule staminali. A seconda di dove si trovano queste cellule staminali all'interno del corpo, queste cellule si trasformeranno in diversi tipi di cellule, lui spiega. Per esempio, le cellule staminali che vengono allungate in ambienti più rigidi potrebbero alla fine crescere in cellule ossee, mentre le cellule staminali che rimangono rotonde in ambienti più morbidi potrebbero svilupparsi in cartilagine. Pensalo come una sorta di effetto domino:il microambiente della cellula staminale ne influenza la forma, e la forma della cellula staminale influenza il suo sviluppo in un tipo di cellula specifico. Dato questo fatto, Gaharwar ritiene che il controllo della rigidità dell'ambiente cellulare (in questo caso un idrogel che racchiude le cellule staminali) potrebbe comportare un maggiore controllo della differenziazione delle cellule staminali.
Controllare quell'ambiente, Gaharwar dice, si ottiene attraverso un processo noto come reticolazione. reticolazione, lui spiega, comporta l'unione delle catene polimeriche che compongono un idrogel in modo che formino una rete interconnessa che fondamentalmente funge da spina dorsale per il gel e, di conseguenza, ne aumenta la rigidità. L'unione di queste catene richiede le nanoparticelle di Gaharwar, che fungono da una sorta di malta legando queste catene a livello molecolare. Questi sferici, nanoparticelle di ossido di ferro, le cui superfici sono state modificate da Gaharwar e dal suo team, hanno più punti di coniugazione in cui le catene polimeriche si attaccano formando forti legami chimici, lui dice. Quando ciò si verifica, si forma una rete di catene e si rinforza l'idrogel, lui dice.
Altre tecnologie standard che fanno uso di nanoparticelle diverse non comportano lo stesso livello di rigidità meccanica perché le nanoparticelle non interagiscono chimicamente con le catene polimeriche nel gel; sono solo intrappolati, spiega Gaharwar. Cosa c'è di più, gli approcci che raggiungono una certa misura di rigidità spesso producono un ambiente non amichevole per la cellula che provoca la morte cellulare a causa di alte concentrazioni dell'agente di rinforzo, lui dice. L'approccio di Gaharwar supera questa sfida utilizzando un 10, Concentrazione di nanoparticelle migliaia di volte inferiore.
"Aggiungendo una minima concentrazione di nanoparticelle, possiamo ottenere un drastico aumento o diminuzione delle proprietà fisiche dell'idrogel, " Dice Gaharwar. "Modificando la dimensione e la concentrazione delle nanoparticelle, possiamo ottenere idrogel che vanno da un kilopascal a 200 kilopascal".
Alimentato dai promettenti risultati iniziali che lui e il suo team hanno raggiunto, Gaharwar prevede di continuare a lavorare con l'idrogel potenziato per determinare se può effettivamente innescare una differenziazione nelle cellule staminali. Queste cellule, lui spiega, hanno bisogno di sperimentare un ambiente dinamico (come farebbero nel corpo) in cui vengono applicati vari gradi di forza attraverso l'idrogel e sperimentati dalle cellule al suo interno. Nella fase successiva della ricerca il team, lui dice, spera di introdurre questi stimoli esterni con un bioreattore in modo da poter condurre studi più approfonditi.
