Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado que las células vivas pueden producir una clase de materiales compuestos entrelazados llamados redes de polímeros semi-interpenetrantes (sIPN). El enfoque podría hacer que estos materiales versátiles sean más compatibles biológicamente para aplicaciones biomédicas, como los sistemas de administración de fármacos con retraso en el tiempo.

La investigación aparece en línea el 8 de junio en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

El concepto de sIPN ha existido durante más de 100 años y se ha utilizado en piezas de automóviles, dispositivos médicos, compuestos de moldeo y plásticos de ingeniería. La idea general es que uno o más polímeros se ensamblen alrededor de otro armazón de polímero de tal manera que se entrelacen. A pesar de que los polímeros no están químicamente unidos, no pueden separarse y formar un nuevo material con propiedades mayores que la simple suma de sus partes.

Los métodos tradicionales para fabricar sIPN generalmente implican producir las partes constituyentes llamadas monómeros y mezclarlas en las condiciones químicas adecuadas para controlar su ensamblaje en grandes redes en un proceso llamado polimerización.

"Cuando funciona, es una plataforma fantástica que puede incorporar diferentes funcionalidades en la capa autoensamblada para aplicaciones biomédicas o ambientales, "dijo Lingchong You, profesor de ingeniería biomédica en Duke. "Pero el proceso a menudo no es tan biocompatible como podría desear. Entonces pensamos ¿por qué no usar células vivas para sintetizar la segunda capa y hacerla lo más biocompatible posible?"

En el nuevo periódico, Zhuojun Dai, un ex postdoctorado en el laboratorio You que ahora es profesor asociado en el Instituto de Biología Sintética de Shenzhen, utiliza una plataforma que el laboratorio ha estado desarrollando durante varios años llamada 'swarmbots' para hacer precisamente eso.

Los swarmbots son células vivas que están programadas para producir moléculas biológicas dentro de sus paredes y luego explotan una vez que su población alcanza una cierta densidad. En este caso, están programados para producir monómeros llamados polipéptidos similares a elastina (ELP) fusionados con características funcionales llamadas SpyTag y SpyCatcher. Estas dos estructuras moleculares forman un sistema de candado y llave, permitiendo que los ELP se autoensamblen en una cadena de polímero cuando se mezclan. Mientras crecen, estos polímeros se entrelazan con las microcápsulas poliméricas que contienen las células para formar sIPN.

Cada monómero puede contener múltiples SpyTags o SpyCatchers y también puede fusionarse con proteínas que generan una lectura o tienen funciones específicas. Es como hacer una cerca de tela metálica con muchas pulseras con dijes pequeños que tienen espacio para cierres y dijes.

Los investigadores primero programan las células para que llenen esta característica accesible con una proteína fluorescente para demostrar que el sistema puede bloquearlas en su lugar. Después de esa exitosa demostración, centran su atención en diseñar un sistema de administración de fármacos útil con su nuevo invento.

"Puede reemplazar el marcador fluorescente con cualquier cosa que tenga una función que desee destacar, ", dijo usted." Decidimos tocar los antibióticos porque es uno de los otros enfoques de nuestro laboratorio ".

Antibióticos betalactámicos, como la penicilina y sus derivados, son algunos de los antibióticos más utilizados en el mundo. A menudo, también se usan en exceso y pueden tener efectos negativos, como destruir el microbioma natural que vive dentro de nuestras entrañas.

Para demostrar una forma en la que sus nuevos sIPN integrados en células podrían ser útiles, los investigadores llenan el lugar accesible con beta-lactamasa, que pueden degradar los antibióticos betalactámicos. Al inyectar los sIPN recién funcionalizados en ratones, Los investigadores demostraron que la plataforma podría liberar lentamente la molécula protectora de corta duración para ayudar a los microbiomas intestinales de los ratones a protegerse de los efectos secundarios negativos de los antibióticos.

"Nadie ha utilizado células vivas como fábrica para producir monómeros en tiempo real para sIPN antes, "dijo usted". La demostración de la prueba de principio muestra que, no solo podemos fabricar este tipo de materiales funcionales con células vivas, pero pueden exhibir funciones médicamente relevantes ".