Un salto en la curación y la administración de fármacos

En un estudio reciente publicado en Ciencia avanzada, Los científicos desarrollaron y caracterizaron pequeños antropobots a partir de células pulmonares humanas adultas. Estos antropobots son capaces de moverse en una placa de cultivo y desencadenar el proceso de curación de heridas en neuronas humanas cultivadas.

Estudiar: Los biobots móviles se autoconstruyen a partir de células semilla progenitoras somáticas humanas adultas. Haber de imagen: Microgen/Shutterstock.com

Fondo

De nuevo El desarrollo de estructuras biológicas ha ganado considerable atención en la última década. Los biobots, que son una clase especial de estructuras sintéticas móviles, son uno de los ejemplos de estos esfuerzos. Algunos ejemplos de biobots incluyen estructuras híbridas compuestas de sustancias químicas inertes, como geles o andamios impresos en tres dimensiones (3D), y células vivas de mamíferos, bacterias o líneas celulares diseñadas para amplificar las funciones intrínsecas de las células biológicas.

El primer biobot totalmente biológico se desarrolló ensamblando células embrionarias de corazón y piel de ranas africanas, lo que condujo a la formación de una estructura organoide con cilios. Los cilios son pequeñas estructuras parecidas a pelos presentes en la superficie de las células de los mamíferos que desempeñan un papel vital en la locomoción. Este organoide impulsado por cilios podía moverse sin ninguna fuerza externa.

A pesar de este avance, persiste la preocupación sobre la posibilidad de que el sistema humano rechace inmunológicamente este biobot basado en anfibios. Para superar este desafío, los científicos del estudio actual desarrollaron biobots multicelulares, autoconstruibles, totalmente biológicos y móviles a partir de células epiteliales bronquiales humanas adultas a los que se ha hecho referencia como “antrobots”.

Desarrollo y caracterización de antropobots.

Se utilizaron células epiteliales bronquiales humanas (NHBE) para desarrollar antrobots debido a su plasticidad inherente y la presencia de cilios en la superficie celular que les ayudan a moverse hacia adelante y hacia atrás. Estas células se aislaron de donantes y se incorporaron a una estructura de andamio 3D obtenida de tejidos de rata y que se parecía al entorno bronquial humano.

Las células se multiplicaron y formaron pequeños organoides después de dos semanas de cultivo; sin embargo, los cilios de las células estaban dentro de estos organoides y, como resultado, no podían participar en la locomoción. Posteriormente, se modificó la composición química de los medios de crecimiento del cultivo celular, lo que condujo al desarrollo exitoso de los cilios en la superficie del organoide.

A pesar de una composición genética similar, los organoides diferían en forma y tamaño, ya que eran esféricos o elipsoidales con diámetros de entre 30 y 500 micrones. Los cilios se colocaron a lo largo de toda la superficie celular o se agruparon en parches discretos.

El tamaño, la forma y la ubicación de los cilios en los organoides dependen principalmente de la ubicación en la matriz donde se asientan las células, así como de la viscosidad del medio de crecimiento. Además, el patrón de movimiento de estos organoides estaba determinado por sus características morfológicas. Dependiendo de su forma, tamaño y ubicación de los cilios, los organoides individuales exhibieron distintos patrones de motilidad que iban desde bucles apretados hasta líneas rectas y velocidades de cinco a 50 micrones por segundo.

Las células epiteliales bronquiales humanas se autoconstruyen en arquitecturas vivas móviles multicelulares. A) Flujo de trabajo para producir Anthrobots. La transición apical hacia adentro y hacia afuera de las células NHBE se facilita cultivándolas primero en matriz extracelular (ECM) en condiciones inductoras de diferenciación apropiadas, tiempo durante el cual los esferoides apicales se autoconstruyen a partir de células individuales a.1), y al finalizar este período de 14 días a.2) liberando esferoides maduros de la ECM a.3) y continuando cultivándolos en un ambiente poco adhesivo. B) Imágenes de contraste de fase de esferoides apical-in b.1) y apical-out b.2), capturados inmediatamente después de la disolución de ECM (día 0) y 7 días después de la disolución (día 7), respectivamente. Los esferoides del día 0 no muestran motilidad, mientras que los esferoides del día 7 muestran una motilidad drásticamente aumentada. C) Porcentaje de esferoides acumulativos (fracción total de esferoide móvil desde el día 0) y recientemente móviles (fracción de esferoide móvil que alcanzó la motilidad desde el momento anterior) en las 3 semanas posteriores a la disolución. Del total de 2281 esferoides caracterizados, ≈50% no mostró consistentemente signos de motilidad (a pesar de que la mayoría tenía cilios) dentro de este período de 3 semanas y se los conoce como no móviles. Los datos que se muestran en este gráfico solo incluyen los robots móviles, N = 1127. D) Inmunotinción de dos esferoides separados del día 0 y el día 7 con a-tubulina (marcador de cilios), Zonula occludens (ZO)-1 (marcador de unión estrecha) y la tinción nuclear 4′,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI). La cantidad de células multiciliadas en la superficie del esferoide muestra un aumento drástico para el día 7. E) Un Antrobot del día 7 con información de profundidad para mostrar una cobertura total de los cilios. Los robots en los paneles D, E fueron inmunoteñidos con α-tubulina (marcador de cilios), ZO-1 (marcador de unión estrecha) y DAPI (tinción nuclear). Los colores representan la profundidad del tejido. Todas las barras de escala de esta figura cuentan con 50 um.

Evaluación funcional de antropobots.

Los científicos exploraron si estos antropobots pueden interactuar con células humanas. Para ello, se realizó en células nerviosas humanas un ensayo de raspado, un método bien establecido para evaluar la curación de heridas.

Para ello, se cultivaron células nerviosas humanas y se “herieron” rascando la capa celular. Después de eso, las células nerviosas fueron tratadas con antropobots, lo que posteriormente provocó una rápida reparación del área afectada.

Para iniciar el proceso de curación de heridas, se desarrollaron conjuntos de “superbots” que permitieron a los antropobots autoagregarse y formar grandes estructuras. Estos superrobots se colocaron a lo largo del rasguño para permitirles abarcar todo el ancho del rasguño y “unir” los dos lados de la herida como una puntada mecánica. En 72 horas, se observó un importante crecimiento de las células nerviosas debajo del “puente superbot”, lo que condujo a la cicatrización de la herida, como lo demuestra el cierre de la brecha.

Importancia del estudio

El presente estudio describe el desarrollo y caracterización de antrobots biológicos multicelulares con forma de esferoide con capacidades locomotoras y propiedades de reparación de tejidos. En el futuro, la capacidad funcional de estos antropobots se podrá mejorar modificando su genoma para funciones deseadas, como la administración de fármacos. Además, estos antropobots se pueden utilizar con fines de detección de drogas y para comprender las interacciones entre medicamentos y enfermedades.