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Tessuti che si costruiscono da soli
Le cellule ricoperte da frammenti appiccicosi di DNA possono autoassemblarsi in microstrutture tridimensionali funzionali. Questo approccio dal basso all'ingegneria dei tessuti, sviluppato dagli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Università della California, Berkeley, fornisce una nuova soluzione a uno dei maggiori problemi del campo: la creazione di tessuti multicellulari con strutture definite. A differenza dei metodi top-down, in cui gli scienziati costruiscono strutture cellulari su scaffold, la nuova tecnica consente agli ingegneri dei tessuti di dettare le precise interazioni geometriche delle singole cellule.
Doppio problema: Due cluster si sono uniti per formare un microtessuto più grande e strutturalmente più complesso. Modificando le variabili e aggiungendo celle in iterazioni successive, i ricercatori sperano di generare assiemi sempre più sofisticati.
I ricercatori hanno iniziato con due tipi di cellule: una che secerne una proteina, chiamata fattore di crescita, di cui l'altra ha bisogno per crescere. Coautore Zev Gartner , ora chimico farmaceutico presso l'Università della California, San Francisco, ha decorato le cellule con frammenti di DNA a singolo filamento, attaccati usando zuccheri specializzati incorporati nella membrana cellulare. I due tipi di cellule trasportavano filamenti complementari di DNA, che agivano come una sorta di velcro. Quando le diverse cellule sono state combinate, i loro frammenti di DNA complementari si sono uniti in doppi filamenti, collegando le cellule insieme. Unite ai loro partner produttori di proteine, le cellule dipendenti dalla proteina prosperano. Senza il rivestimento del DNA, i due tipi di cellule non possono comunicare e le cellule dipendenti muoiono.
Variando le concentrazioni relative dei due tipi di cellule, i ricercatori hanno potuto manovrare le cellule in configurazioni particolari. Ad esempio, quando le cellule sono state combinate in un rapporto uno a uno, hanno semplicemente formato coppie. Ma quando le cellule dipendenti dal fattore di crescita superavano di gran lunga le loro controparti, formavano caratteristici gruppi tridimensionali con una singola cellula che secerneva il fattore di crescita al centro. I risultati sono apparsi lunedì nella prima edizione online di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Questo approccio fornisce un nuovo modo di ricreare la complessità dei tessuti, afferma Ali Khademhosseini , un assistente professore presso la Divisione di Scienze e Tecnologia della Salute di Harvard-MIT e la Harvard Medical School, che non è stata coinvolta nello studio. La maggior parte dei metodi di ingegneria tissutale produce strutture tridimensionali con l'aiuto di materiali per impalcature.
Una volta formate le microstrutture, Gartner e il suo collega Carolyn Bertozzi , direttore della struttura di ricerca sulle nanoscienze Molecular Foundry presso il Berkeley Lab, li ha intrappolati in un gel e li ha ripresi in tre dimensioni utilizzando un microscopio a fluorescenza. Poiché il DNA della superficie cellulare non è stabile a lungo termine, non è ancora chiaro per quanto tempo le strutture reggeranno da sole. I ricercatori stanno attualmente studiando se le cellule collegate inizieranno a generare le proprie molecole di adesione naturale per tenerle attaccate una volta che i collegamenti al DNA saranno scomparsi.
Finora queste microstrutture sono rudimentali, lontane dalla raffinatezza strutturale di un intero organo. Ma modificando il rapporto tra i tipi di cellule, la densità del DNA sulle superfici delle cellule e la complessità delle sequenze di DNA, Gartner e Bertozzi sperano di costruire assemblaggi più grandi e intricati. Giocando con queste variabili, possiamo influenzare il tipo di struttura che stiamo realizzando, afferma Gartner.
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Velcro cellulare: In un nuovo approccio all'ingegneria dei tessuti dal basso verso l'alto, due diversi tipi di cellule si assemblano spontaneamente in microstrutture tridimensionali come questa quando le loro superfici sono costellate di singoli filamenti di DNA appiccicosi. Poiché il DNA sui globuli rossi è complementare a quello sui globuli verdi, si uniscono naturalmente, tenendo le cellule molto vicine.
Crediti: Bertozzi Lab
Sebbene questo nuovo metodo non sia il primo ad affrontare l'ingegneria tissutale dal basso verso l'alto, Gartner afferma che è l'unico in grado di ottenere una risoluzione sufficientemente fine da definire come le singole cellule interagiscono con le loro vicine. E anche se questa tecnica risultasse non scalabile bene, afferma, potrebbe in linea di principio fornire elementi costitutivi strutturali da utilizzare in altri approcci emergenti dal basso, come la stampa di tessuti strato per strato o la manipolazione laser.
Khademhosseini afferma che è troppo presto per dire se la nuova tecnica alla fine produrrà tessuti adatti all'uso nella medicina rigenerativa. Ha un grande potenziale e potrebbe fornire terapie in futuro, ma è necessario superare altre sfide per realizzare un prodotto clinicamente valido, afferma. Ad esempio, resta da vedere da dove proverrebbero le cellule per far crescere il tessuto e come il corpo genererebbe nuovi vasi sanguigni per nutrire il tessuto trapiantato.
Dan Dimitrijevich , direttore dei laboratori di ingegneria dei tessuti umani e delle cellule presso l'Università del North Texas Health Science Center, è più scettico. Dubita che il nuovo approccio sarà in grado di generare tessuti stabili, sicuri e funzionali che resistono quando trapiantati in un vero organismo vivente. È una scienza interessante, dice, ma per quanto riguarda l'ingegneria dei tessuti, si sta davvero allungando.
Anche se non funziona in termini di medicina rigenerativa, Gartner ritiene che la tecnica potrebbe comunque rivelarsi utile come strumento per studiare come comunicano diversi tipi di cellule, ad esempio nel processo di generazione di un tumore. Questo ora ci dà un nuovo strumento per estrarre queste strutture da un ospite umano, dove ovviamente sono molto difficili da studiare per una serie di ragioni tecniche ed etiche, e metterle in una fiaschetta dove possiamo studiarle in dettaglio a lungo periodi di tempo, dice.