Nanoestructuras ocultas en células y tejidos

Dentro de una célula viva, las proteínas y otras moléculas suelen estar muy juntas. Estos cúmulos densos son difíciles de visualizar. La obtención de imágenes de una proteína específica u otra molécula dentro de una célula requiere de una etiqueta fluorescente que lleva un anticuerpo para unirla al objetivo. Los anticuerpos miden alrededor de 10 nanómetros de largo, mientras las proteínas celulares típicas suelen tener entre 2 y 5 nanómetros de diámetro, por lo que si las proteínas objetivo están demasiado empaquetadas los anticuerpos no pueden llegar a ellas. Investigadores del MIT en el artículo: Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy, publicado en la revista Nature Biomedical Engineering (2022) explican una nueva forma de superar la limitación y hacer visibles esas moléculas "invisibles" modificando la denominada microscopía de expansión. La técnica les permite "desagrupar" las moléculas expandiendo una muestra de tejido o células antes de etiquetarlas, de este modo quedan más accesibles a las etiquetas fluorescentes.

Nanoestructura beta-amiloide y helicoidal beta-amiloide. Crédito imagen: Zhuyu Peng y Jinyoung Kang

La microscopía de expansión, la desarrolló Boyden (coautor del artículo) en el año 2015. En su versión original se adhirieron etiquetas fluorescentes a las moléculas de interés antes de expandir el tejido. El etiquetado se realizó primero, porque los investigadores necesitaron usar una enzima para cortar las proteínas de la muestra y lograr la expansión del tejido. Esto significaba que las proteínas no podían etiquetarse después de expandir el tejido. Para superar ese obstáculo los investigadores tuvieron que encontrar una manera de expandir el tejido dejando las proteínas intactas. Usaron calor en lugar de enzimas para ablandar el tejido y lograr una expansión 20 veces mayor permitiendo luego el etiquetado fluorescente. Con tantas más proteínas accesibles para ser etiquetadas pudieron identificar pequeñas estructuras celulares dentro de las sinapsis, conexiones entre las neuronas repletas de proteínas. Etiquetaron y obtuvieron imágenes de siete proteínas sinápticas diferentes, visualizando en detalle "nanocolumnas" que consisten en canales de calcio alineados con otras proteínas sinápticas. También utilizaron su nueva técnica para obtener imágenes del péptido beta amiloide responsable de la formación de placas en los cerebros de los pacientes con Alzheimer. Llegaron a observar que las moléculas de beta amiloide formaban estructuras helicoidales a lo largo de los axones...

La variante utilizada denominada “revelación de expansión” permite la visualización de nanoestructuras, que antes permanecían ocultas, utilizando hardware fácilmente disponible en los laboratorios académicos. Con el etiquetando clásico se estaban perdiendo categorías enteras de fenómenos, ahora se cuenta con una tecnología para realizar nuevos y trascendentes descubrimientos biológicos.

Información Complementaria:

Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy

Nanodiscos coloidales para bioimpresión de tejidos en 3D

La impresión 3D constituye un enfoque prometedor para la generación de tejidos específicos necesarios en medicina. Sin embargo, la mayoría de los materiales usados actualmente en la bioimpresión carecen de la versatilidad necesaria para su utilización en una gama amplia de aplicaciones. En el artículo 2D Nanosilicate for additive manufacturing: Rheological modifier, sacrificial ink and support bath, un equipo de investigadores de la Universidad Texas aprovecha las interacciones coloidales de las nanopartículas para imprimir geometrías complejas capaces de imitar la estructura de tejidos y órganos. En las bioimpresiones se utiliza una “tinta” coloidal compuesta por nanosilicatos 2D (nanopartículas inorgánicas en forma de disco de 20 a 50 nanómetros de diámetro y de 1 a 2 nanómetros de espesor) en polímeros solubles en agua como agarosa, alginato, carragenina kappa, gelatina, polietilenglicol y N-isopropilacrilamida.

Crédito: Satyam Rajput y col. Bioprinting. Volumen 25 (Mayo 2022)

Uno de los principales desafíos de la impresión 3D basada en extrusión es resolver la incapacidad de hacer estructuras altas y complejas, ya que los materiales blandos fluyen por gravedad y no pueden formar estructuras autoportantes. Debido a la obtención de una buena fidelidad en formas diseñadas, las formulaciones de las tintas imprimibles permiten superar el citado problema. Resultan ideales en el diseño de dispositivos de microfluidos para emular-estudiar la fisiología vascular (mecánica de fluidos) y como baño de soporte para la impresión 3D al anular la tensión superficial y las fuerzas gravitatorias. Dentro del baño de soporte se han impreso una serie de estructuras complejas, como un vaso bifurcado, un fémur, un menisco, una doble hélice de ADN y un corazón. La versatilidad de los nanosilicatos nos permite vislumbrar su futura utilización en la fabricación aditiva, la ingeniería de tejidos, la administración de fármacos y distintos dispositivos médicos.

Lectura complementaria:

2D Nanosilicate for additive manufacturing: Rheological modifier, sacrificial ink and support bath

Hacia la biofabricación de un “hombre nuevo”.

En el artículo “En los años 30…, las tecnologías de convergencia lideradas por la biotecnología.” publicado en la Revista Agropost, número 128 (Noviembre 2013), decía “La posibilidad que brindan las tres primeras tecnologías convergentes (Nano, Bio, Info) de avanzar sostenidamente hacia la cognociencia y la cognotecnología conducirá a la interpretación de los mecanismos del pensamiento y a su reproducción parcial para una robotización  inteligente de los procesos de producción centrados en una variada gama de impresoras 3D con capacidad para analizar y luego producir desde piezas mecánicas, pasando por alimentos, productos químicos,  hasta tejidos y órganos humanos”. Es impresionante la cantidad de investigaciones actuales vinculadas a la utilización de la impresión 3D para “reparar” a los seres vivientes. Desde hace años, los investigadores han estado reproduciendo células humanas en el laboratorio “a mano” para crear vasos sanguíneos, los conductos de orina, tejido de la piel y otras partes vivas del cuerpo. Pero la ingeniería órganos completos resultaba mucho más difícil con sus complicadas estructuras celulares.

Las impresoras 3D, debido a su proceso preciso, pueden reproducir los sistemas vasculares necesarios para hacer viable la producción de órganos vitales. Los científicos ya están utilizando las máquinas para imprimir pequeñas tiras y reparar con ellas distintos tejidos. Si bien la impresión de órganos humanos completos para trasplantes quirúrgicos está a años de distancia, la tecnología puede avanzar con rapidez.  Para ilustrar esta realidad veamos sólo algunas publicaciones de una sola revista “Biofabrication” en sus últimos dos números:

-Three-dimensional printing of Hela cells for cervical tumor model in Vitro.

-Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates.

-Hybrid printing of mechanically and biologically improved constructs for cartilage tissue engineering applications.

-Engineering three-dimensional cell mechanical microenvironment with hydrogels.

-Advanced micro- and nanofabrication technologies for tissue engineering.

-3D printing of composite tissue with complex shape applied to ear regeneration.

-3D printing facilitated scaffold-free tissue unit fabrication.

-Direct 3D powder printing of biphasic calcium phosphate scaffolds for substitution of complex bone defects.

Es realmente exponencial el incremento de las investigaciones utilizando impresoras 3D con la finalidad de “reparar a nuevo”  a los seres vivientes en el futuro mediato.

Lectura complementaria:
Agropost, Nº 128.

“Biotinta” de células madre para hacer tejidos con impresoras 3D.

En los últimos años el uso de una simple tecnología de inyección de tinta para la impresión de células ha provocado un tremendo interés en la biofabricación. Un equipo de investigadores de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo y del Roslin Biocentre del Reino Unido, en el artículo “ Developement of a valve-based printer cell for the formation of human enbryonic stem cell spheroid aggregates" explican como  llevaron a cabo una impresión 3D con células madre embrionarias, puntapié inicial para  producir en poco tiempo tejidos humanos. Es la primera vez que utilizando suspensiones de células madre como si fueran biotinta se  imprimen de forma controlada estructuras tridimensionales en las cuales el 99% de las células permanecieron vivas. La metodología es lo suficientemente precisa como para producir micro-tejidos 3D. Las células impresas mantienen su potencia y  la capacidad de diferenciarse en cualquier otro tipo de células en nuestro cuerpo. Esta diferenciación se produce cuando las células madre se combinan con células nacientes de órganos específicos que emiten señales químicas para transformarlas en el tipo celular del tejido huésped. Tras la primera impresión 3D con células madre, posiblemente en los próximos 2-3 años, se podrán producir tejidos humanos y construir órganos individuales para trasplantes. Relativamente pronto podremos imprimir grupos de estas células para "programarlas" y que se conviertan en los órganos necesarios pasa  acabar con la problemática de la donación de órganos. También se podrán producir distintos tejidos para la fabricación de  variados biofármacos. Seguramente la impresión 3D se convertirá en una tecnología central en las biofábricas del futuro.
Lectura complementaria:
Biofábrica transgénica.