Las células eucariotas dentro de los tejidos vivos pueden afectar procesos fisiológicos importantes como la apoptosis y la migración celular basados ​​en la formación de patrones dinámicos con orientaciones que varían espacialmente. Sin embargo, Sin embargo, es un desafío proyectar un mapa prediseñado de orden de orientación en un tejido en crecimiento en el laboratorio. En un nuevo estudio ahora publicado en Avances de la ciencia , Taras Turiv y un equipo de investigación en física química, materiales avanzados y ciencias biomédicas en la Universidad Estatal de Kent, Ohio, NOSOTROS., detalló un nuevo enfoque para producir monocapas celulares de fibroblastos dérmicos humanos. Prediseñaron los patrones de orientación y los defectos topológicos utilizando un elastómero de cristal líquido fotoalineado (LCE) que se hinchó anisotrópicamente en un medio acuoso. El equipo inscribió los patrones en el LCE, y la monocapa de tejido replicó los patrones para causar fuertes variaciones en los fenotipos celulares (tamaño y forma), sus fluctuaciones de densidad superficial y densidad numérica. El nuevo enfoque puede controlar el comportamiento colectivo de las células en los tejidos vivos durante la diferenciación celular y la morfogénesis tisular para amplias aplicaciones en bioingeniería y medicina regenerativa.

Las células que constituyen tejidos vivos a menudo exhiben un orden de orientación cuando están en estrecho contacto debido a la alineación mutua de las células anisométricas. La dirección de la orientación promedio puede variar en el espacio y el tiempo para producir defectos topológicos conocidos como declinaciones. Dichos defectos pueden moverse dentro del tejido para desempeñar un papel importante durante los procesos y esfuerzos de compresión-dilatación. incluida la extracción de células muertas. La capacidad de diseñar un andamio de tejido de células vivas con control y orden de orientación es importante para los investigadores biomédicos a fin de investigar y manipular la materia viva. Los científicos ya han producido conjuntos de celdas ordenados en superficies fabricadas litográficamente, incluidos los bordes de los microcanales, en microsurcos y superficies con gradientes de rigidez del material. En este trabajo, Turiv y col. tejidos diseñados con un alto grado de orden de orientación y una dirección predeterminada que varía espacialmente, basado en una plantilla de patrones de director en sustratos LCE. El equipo utilizó células de fibroblasto dérmico humano (HDF) como unidades de construcción del tejido de plantilla.

Los fibroblastos son las células del tejido conectivo de mamíferos más comunes y, por lo general, mantienen una forma alargada y plana con funciones importantes durante la reparación y reestructuración de los tejidos. así como la cicatrización de heridas. Los científicos pueden reprogramar estas células en células madre pluripotentes para aplicaciones prometedoras en diagnóstico y terapia. En este trabajo, los efectos combinados de la siembra de células y la división de tejidos de HDF con patrón sobre sustratos de LCE prediseñados produjeron tejidos confluentes. El LCE estructurado tuvo un impacto marcado en el tejido, donde controlaban el patrón de alineación y la distribución espacial de las células, su densidad, fluctuaciones, y fenotipo. El LCE modelado mostró ubicaciones de defectos topológicos en tejidos a través de interacciones superficiales anisotrópicas en ubicaciones predeterminadas. Dado que la alineación celular y los defectos topológicos pueden controlar los procesos bioquímicos a microescala, este trabajo abre la posibilidad de diseñar superficies para patrones de tejido controlados con el fin de diseñarlas para funciones específicas.

Durante los experimentos, Turiv y col. sostuvo el sustrato LCE por una placa de vidrio y lo cubrió con óxido de indio y estaño (ITO) para reducir la rugosidad de la superficie, seguido de una capa de colorante azoico fotosensible y finalmente se cubrió el sustrato con un medio acuoso de cultivo celular. Los granos de la superficie del material sirvieron de guía para las células HDF. Cuando las células HDF se suspendieron en cultivo celular, parecían redondos pero después de asentarse en el sustrato, desarrollaron una apariencia alargada. Los científicos registraron los resultados de la confluencia (crecimiento) de los efectos combinados de la siembra celular. Los resultados mostraron que el orden de orientación se produjo debido a interacciones directas entre las células y el sustrato LCE. Los sustratos ayudaron a alinear tanto los cuerpos como los núcleos de las células HDF como una característica importante para muchas funciones celulares, incluida la expresión de proteínas, motilidad, metabolismo y diferenciación.

The HDF cells on LCE self-organized into aligned assemblies following pre-imposed directions. The team noted the behavior of cells and cell density to vary as they approached defect cores and other topological inconsistencies (bent type defects or splay type defects) on the LCE substrates. The substrates markedly impacted the HDF cells that were in contact with each other, resulting in collectively strong differences in the size and shape of cells. The marked differences indicated the influence of the predesigned patterns on the HDF cell phenotype (size and shape). Based on additional results, Turiv et al. credited the number density fluctuations in tissues to be influenced by the surface charge of director patterns and studied the issue in detail in a larger surface area.

In this way, Taras Turiv and colleagues showed the dynamics and propagation of defects in patterned tissues and how they could be halted through surface anchoring forces. The scientists used LCE substrates with photopatterned structures of varying molecular orientations to grow biological tissues with predesigned cell alignment. The substrates affected cell alignment as well as cell surface density and cell phenotypes. The team noted higher density of cells in defect cores with positive topological charge, while cell density was lower near negative defects. The cells mechanistically aligned to the substrates by swelling upon contact with the aqueous cell culture medium, followed by aligning to predesigned photopatterned direction. This approach will allow materials scientists and bioengineers to design biological tissues with predetermined cell alignment and precise location of orientational defects. The outcomes can facilitate controlled cell migration, diferenciación. and apoptosis. The work can be further optimized to advance the understanding of fundamental mechanisms underlying tissue development and regeneration.

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