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Modelo de tejido sintético con vasos sanguíneos

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Utilizar tejidos creados en laboratorio para curar o sustituir órganos dañados es una de las grandes visiones del futuro de la medicina. Los materiales sintéticos podrían ser adecuados como andamios para los tejidos porque, a diferencia de los naturales, permanecen estables en el organismo el tiempo suficiente para que el cuerpo forme nuevas estructuras naturales.

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Un requisito fundamental para que los tejidos sean funcionales es que en ellos puedan crecer vasos sanguíneos y conectarse con el sistema vascular del organismo, de modo que el tejido reciba un suministro adecuado de oxígeno y nutrientes. Sin embargo, hasta ahora no se sabía casi nada sobre las propiedades de los materiales que favorecen el crecimiento de los vasos sanguíneos.

Un equipo dirigido por la Dra. Britta Trappmann, ingeniera biomédica del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular de Münster (Alemania), ha desarrollado un sistema de cultivo celular en el que, por primera vez, se puede desarrollar un sistema funcional de vasos sanguíneos dentro de un marco de materiales sintéticos.

Los científicos, trabajando en un hidrogel especial con propiedades que pueden modificar de forma controlada, cultivaron primero un vaso sanguíneo matriz a partir de células de revestimiento de vasos sanguíneos humanos. A continuación, investigaron cómo las propiedades materiales del entorno celular artificial influían en la formación de vasos sanguíneos adicionales y los afinaron.

Britta Trappmann resume los principales resultados: "El material tisular sintético debe activar determinadas moléculas de adhesión en la membrana de las células de los vasos sanguíneos para que éstas migren en grupos desde el vaso madre y formen estructuras tubulares; al mismo tiempo, el material debe ser lo suficientemente degradable para que las células puedan formar vasos sanguíneos de tamaño adecuado". Para imitar el entorno natural de las células, habría que integrar en el sistema modelo muchas biomoléculas y células adicionales en pasos posteriores: pueden ser proteínas de señalización, células inmunitarias o células para estabilizar los vasos sanguíneos. "Además, el efecto de todos estos factores está relacionado en los tejidos naturales y varía de un órgano a otro", explica Britta Trappmann. Entender todo esto, dice, es un objetivo a largo plazo pero, en última instancia, los conocimientos podrían utilizarse para cultivar tejidos implantables.

En este estudio, los investigadores perfeccionaron un sistema modelo que Britta Trappmann desarrolló con sus colegas durante su estancia como postdoc en las universidades de Boston y Harvard. Consiste en un hidrogel tridimensional a base de azúcar en el que los científicos hacen dos canales utilizando una aguja de acupuntura. Cada canal tiene un diámetro de 400 micrómetros y discurren paralelos entre sí a una distancia de aproximadamente un milímetro. En uno de los canales, los científicos sembraron células endoteliales, que recubren los vasos sanguíneos de los tejidos naturales. "Las células endoteliales entran en contacto entre sí y se adhieren a su entorno de tejido sintético en el canal, formando así un vaso sanguíneo madre al cabo de un día aproximadamente", explica Britta Trappmann. Cuando esto ocurre, los científicos administran un cóctel de moléculas de factor de crecimiento que impulsa el crecimiento de los vasos sanguíneos en los tejidos naturales a través del segundo canal, con lo que las células endoteliales migran al hidrogel.

A continuación, los científicos querían averiguar qué propiedades del hidrogel determinan si las células endoteliales que migran forman realmente nuevos vasos sanguíneos. Para ello, investigaron el papel que desempeña la activación de las denominadas moléculas de adhesión de la membrana celular, mediante las cuales las células se adhieren a su entorno. En primer lugar, los investigadores enriquecieron el marco tisular del hidrogel con cantidades variables de péptidos que activan un determinado tipo de molécula de adhesión que se encuentra en la membrana de las células endoteliales, llamadas integrinas.

Cuanto mayor era la concentración de péptidos, más migraban juntas las células endoteliales a través del hidrogel. En cambio, cuando los científicos bloquearon la función de las integrinas, observaron que las células sólo migraban individualmente. En un paso más, el equipo investigó este proceso observando dos subtipos específicos de integrinas. "Descubrimos que la integrina αvβ3 es la molécula de adhesión crucial que debe activarse para que las células endoteliales migren en grupo", afirma Britta Trappmann. Los científicos también demostraron que la migración celular colectiva es, a su vez, un requisito previo para que las células endoteliales formen cavidades conectadas al vaso matriz en el siguiente paso.

Aunque las células de los vasos sanguíneos formaron entonces estructuras tubulares, éstas eran más pequeñas que las de los tejidos naturales. Los científicos plantearon la hipótesis de que esto podría deberse a que el hidrogel sintético es menos degradable que el tejido natural y tiene poros más pequeños por los que pueden deslizarse las células. Como el hidrogel está formado por cadenas de moléculas de azúcar reticuladas por determinadas moléculas, la solución de los científicos consistió en intercambiar estas moléculas reticuladoras para que las células pudieran escindir el hidrogel más rápidamente mediante las enzimas que liberan. Esto permitió a las células migrar más rápido y formar estructuras vasculares más grandes.