Las nanopartículas fluorescentes de óxido de hierro brillan en las células endoteliales en un experimento en la Universidad de Rice. A la izquierda las nanopartículas se distribuyen uniformemente entre los microtúbulos que ayudan a dar forma a las células. A la derecha, después de aplicar un campo magnético, las nanopartículas se empujan hacia un extremo de las células y cambian de forma. Los investigadores creen que esto ofrece una manera de hacer que la barrera endotelial tenga "fugas" lo suficiente como para permitir que las moléculas del fármaco pasen y lleguen a los tejidos. Crédito:Laboratorio de Ingeniería Biomolecular y Nanomedicina / Rice University
Las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos están compactas para mantener la sangre dentro y fluyendo. pero los científicos de la Universidad de Rice y sus colegas han descubierto que puede ser posible abrir de forma selectiva las brechas en esas barreras lo suficiente para dejar pasar moléculas grandes y luego cerrarlas nuevamente.
El bioingeniero de Rice, Gang Bao, y sus colaboradores de la Universidad de Emory y el Instituto de Tecnología de Georgia informaron sobre el uso de imanes para ayudar a las nanopartículas de óxido de hierro a invadir las células endoteliales tanto en el laboratorio como in vivo. Luego usan los mismos imanes para hacer que los recipientes "goteen" temporalmente.
Esta permeabilidad permitiría que los fármacos de moléculas grandes lleguen a los tejidos diana, Dijo Bao. Los imanes potentes pueden llevar las células madre infundidas con nanopartículas o las propias nanopartículas cargadas de fármacos a áreas específicas. incluso en tejidos profundos como órganos que las terapias actuales no pueden alcanzar, él dijo.
El estudio aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza .
"Para muchas enfermedades, La entrega sistémica a través del torrente sanguíneo es la única forma de entregar moléculas al sitio, ", Dijo Bao." Las moléculas pequeñas pueden penetrar en los vasos sanguíneos y entrar en las células enfermas, pero las moléculas grandes, como las proteínas o las nanopartículas cargadas de fármacos, no pueden atravesar el endotelio de forma eficaz a menos que tenga fugas ".
Los vasos sanguíneos de los tumores cancerosos suelen tener orificios en la barrera endotelial, pero no cierran bajo demanda como Bao y su equipo esperan que lo hagan.
Bajo la influencia de un imán, las nanopartículas realinean los filamentos de actina en las células endoteliales. Los investigadores de la Universidad de Rice sospechan que tal realineamiento puede alterar las uniones entre las células endoteliales y aumentar la permeabilidad vascular. Crédito:Laboratorio de Ingeniería Biomolecular y Nanomedicina / Rice University
Junto con las moléculas de fármacos, Bao quiere usar imanes para administrar células madre con infusión de nanopartículas a los tejidos lesionados. "A menos que pueda realizar una inyección directa de células madre, digamos en el corazón tienes que hacer una entrega sistémica y no tienes control sobre a dónde van.
"Nuestra idea inicial era introducir nanopartículas magnéticas en las células madre y luego usar un imán para atraer las células madre a un lugar en particular, ", dijo." Al hacerlo, También descubrimos que al aplicar un campo magnético, podríamos generar cambios en la estructura esquelética de la célula en términos de las estructuras de los filamentos de actina ".
Estos elementos estructurales dan forma a las células y ayudan a mantener compactas las células vecinas. "Pensamos que si podíamos alterar la unión célula-célula mediante el uso de fuerza magnética, existía la posibilidad de que pudiéramos diseñar las fugas de la embarcación, "Dijo Bao.
El laboratorio creó una cámara de flujo de microfluidos que imitaba el sistema vascular y revestía sus tubos con células endoteliales reales. Los experimentos probaron su hipótesis:cuando se aplicó un campo magnético a las células infundidas con nanopartículas, los huecos se abrieron. Relajar la fuerza permitió que la mayoría de los espacios se cerraran después de 12 horas.
Las imágenes microscópicas mostraron que las nanopartículas marcadas con fluorescencia se distribuían uniformemente dentro del canal endotelial cuando no se aplicaba un campo magnético. Cuando fue, las partículas redistribuidas, y la fuerza que aplicaron distorsionó el citoesqueleto.
Los investigadores de la Universidad de Rice preparan un lote de nanopartículas de óxido de hierro para experimentos. Han descubierto las partículas junto con potentes imanes, se puede utilizar para abrir espacios para la administración de fármacos entre las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos. Desde la izquierda, Gang Bao, Sheng Tong y Linlin Zhang. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
En algunas imágenes, Se observaron filamentos de actina que ayudan a dar forma a una célula alineándose con la fuerza. "Es un cambio bastante dramático, "Dijo Bao." Una vez que apliques la fuerza, dado suficiente tiempo, la estructura de las células cambia. Eso conduce a la apertura de la unión célula-célula ".
Bao dijo que la fuerza magnética también genera una señal biológica que altera la estructura citoesquelética. "También contribuye a la filtración, ", dijo." Todavía estamos tratando de comprender qué tipo de señal damos a las células y cómo responden las células individuales ".
Si bien existen métodos para facilitar dos tipos de transporte a través de la barrera endotelial, paracelular (entre células) y transcelular (a través de células), ninguno tiene la capacidad de dirigirse a áreas específicas del cuerpo. Bao dijo que el enfoque de su equipo ofrece una solución.
Dijo que su grupo es parte de un proyecto de colaboración en curso sobre reparación de rodilla con el laboratorio del Dr. Johnny Huard, profesor de cirugía ortopédica en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas en Houston. "El problema es cómo acumular células madre terapéuticas alrededor de la rodilla y mantenerlas allí, ", Dijo Bao." Después de inyectar las células infundidas con nanopartículas, queremos poner una serie de imanes alrededor de la rodilla para atraerlos.
"Pero si desea tratar el corazón o el hígado, necesitaría un dispositivo bastante grande para tener el campo magnético requerido, ", dijo." Aún no tenemos eso. Llevar esto a un entorno clínico será un desafío ".
