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Mini laboratori di cellule staminali
Le terapie con cellule staminali sono spesso propagandate come il futuro dell'ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. Ma una delle sfide per lo sviluppo di tali terapie è creare un ambiente in cui le cellule staminali possano crescere. Un ulteriore ostacolo consiste nella progettazione di un veicolo per fornire cellule staminali al loro bersaglio, senza essere rilevate dal sistema immunitario del corpo. Ora gli scienziati della Northwestern University hanno progettato un laboratorio in miniatura sotto forma di una minuscola sacca simile a un gel. Hanno coltivato con successo cellule staminali all'interno del sacco, fornendo proteine e sostanze nutritive alle cellule attraverso la membrana del sacco. I ricercatori affermano che la sacca può fungere da sistema di rilascio per cellule staminali e altri farmaci, proteggendoli fino a raggiungere il loro obiettivo. Samuel Stupp , ricercatore capo e professore del consiglio di amministrazione di scienza dei materiali e ingegneria, chimica e medicina alla Northwestern, afferma che la scoperta potrebbe avere applicazioni promettenti nella terapia cellulare e nella medicina rigenerativa.
Mini-laboratorio: Questa piccola sacca, costituita da una combinazione di polimeri e soluzioni molecolari, può incapsulare istantaneamente le cellule staminali. La sacca può essere utilizzata come un laboratorio in miniatura in cui possono crescere le cellule staminali o come veicolo di consegna per vari farmaci, proteggendole dalla risposta immunitaria del corpo fino a quando la sacca non raggiunge il suo obiettivo.
Potresti trapiantare queste sacche all'interno di un paziente, dice Stupp. E nel sacco, le cellule sarebbero protette, fino a quando non si stabiliscono maggiormente in un organo o tessuto. Quindi il sacco dovrebbe essere in grado di biodegradarsi.
Il team ha sviluppato la sacca dopo mesi di miscelazione di varie soluzioni molecolari.
Quando mescolavamo le soluzioni, a volte ottenevamo una soluzione torbida o precipitati, ma nulla che ritenevamo interessante, afferma Stupp. E un bel giorno, il mio postdoc è entrato nel mio ufficio con una sacca e ho capito che avevamo qualcosa di buono. E poi abbiamo passato più di un anno a cercare di capire cosa fosse successo.
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Guarda come vengono realizzate e suturate le sacche.
I ricercatori hanno sviluppato la sacca da una combinazione di due molecole: un peptide anfofilo (PA), una molecola sintetica che il laboratorio di Stupp ha sviluppato sette anni fa, e l'acido ialuronico (HA), una molecola che si trova nelle articolazioni e nella cartilagine. Il team ha prima versato la soluzione PA in una fiala grande, quindi ha aggiunto la soluzione HA. Quasi istantaneamente, i due liquidi hanno cominciato a solidificarsi nel punto di contatto.
Osservando più da vicino l'interazione, Stupp ha scoperto che le molecole di PA più leggere circondavano le molecole di HA, sigillandole per creare una singola sacca, o sacca. È interessante notare che il sacco ha continuato a crescere anche dopo la sua formazione, espandendosi e creando una membrana più spessa quanto più a lungo è rimasto in soluzione. I ricercatori hanno fermato la sua crescita semplicemente rimuovendo la sacca dalla fiala con un paio di pinzette.
Ma perché esattamente queste molecole interagiscono così fortemente? Stupp spiega che le molecole di PA sono particolarmente preparate per formare strutture solide. In soluzione liquida, le molecole di PA mantengono una carica positiva uniforme, essenzialmente repellendosi a vicenda e rimanendo in forma liquida. Tuttavia, non appena entra in contatto con una soluzione caricata negativamente come l'HA, le molecole di PA non si respingono così tanto e iniziano automaticamente a formare fibre su scala nanometrica.
Questa è una reazione molto potente, dice Stupp. Queste molecole vogliono cristallizzare e quando vedono l'acido ialuronico tessono un tessuto di fibre nel piano di contatto tra i liquidi.
Inoltre, dopo la formazione del sacco, crea un enorme squilibrio nella carica elettrica, che agisce per pompare qualsiasi HA aggiunto attraverso la membrana del sacco. Questa azione di pompaggio porta più molecole di HA a contatto con le molecole di PA e, di conseguenza, il team ha scoperto che la sacca ha continuato a crescere fino a quattro giorni in soluzione. Stupp afferma che il team può personalizzare le dimensioni e lo spessore del sacco semplicemente lasciandolo in soluzione per vari periodi di tempo.
In una seconda serie di esperimenti, il team ha combinato le cellule staminali con la soluzione di HA, quindi ha versato la miscela in una fiala con molecole di PA. Questa volta, le molecole di PA hanno incapsulato sia le molecole di HA che le cellule staminali. I ricercatori hanno aggiunto proteine specifiche alla soluzione e hanno scoperto che penetravano nella membrana del sacco nonostante il suo spessore. Queste proteine hanno stimolato le cellule staminali a differenziarsi in cartilagine, creando efficacemente un laboratorio di cellule staminali in miniatura all'interno del sacco.
Stupp afferma che tali sacche possono fornire ambienti sicuri e chiusi in cui far crescere le cellule staminali prima di trapiantarle nel corpo. Inoltre, mentre le proteine erano in grado di attraversare la membrana del sacco, Stupp afferma che le cellule immunitarie sarebbero troppo grandi per penetrare, impedendo che il sacco e il suo contenuto vengano distrutti prima che possano agire sul loro bersaglio.
Stupp dice che come veicolo di consegna, le sacche possono essere cresciute abbastanza piccole da viaggiare attraverso il flusso sanguigno, o abbastanza robuste da essere suturate su un tessuto o un organo bersaglio.
Nel prossimo anno, il team prevede di far crescere altre cellule all'interno di queste sacche e studiare la crescita dei tumori, ad esempio, in reazione a farmaci o molecole specifici.
Puoi anche avere colonie di cellule diverse in sacche diverse insieme - un lampone di sacche - e puoi esporle a più segnali, dice Stupp. Che potrebbe essere prezioso nella biologia cellulare, studiando i segnali tra le cellule in un ambiente tridimensionale.
James Baker , direttore del Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences, afferma che la scoperta del team potrebbe avere importanti implicazioni nell'ingegneria dei tessuti. Un grande vantaggio è la capacità di organizzare potenzialmente le cellule in strutture uniche, dice. Offre il potenziale per sviluppare strutture tissutali specializzate... un risultato davvero impressionante.