Durante las últimas décadas, los científicos y químicos de materiales han estado trabajando en el diseño de materiales cada vez más sofisticados para una amplia gama de aplicaciones tecnológicas y científicas. Estos materiales incluyen polímeros sintéticos e hidrogeles que podrían introducirse dentro del cuerpo humano como parte de intervenciones médicas.
Investigadores del Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros de Dresde, la Universidad Técnica de Dresde y otros institutos de Alemania diseñaron recientemente nuevos materiales totalmente sintéticos con una matriz dinámica de ADN reticulado que podrían resultar útiles para la creación de organoides (órganos artificiales) y otros sistemas biomiméticos. . Estos materiales, introducidos en Nature Nanotechnology , son versátiles, programables y relativamente económicos, lo que los hace ventajosos para la investigación médica y biológica.
"La química de polímeros puede crear materiales con propiedades maravillosas", dijo a Phys.org Elisha Krieg, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Piense en productos cotidianos como juguetes y embalajes, pero también en chalecos antibalas, paracaídas, implantes médicos, etc. Pero estos materiales son muy estáticos; no es fácil cambiar sus propiedades; una vez rotos, no pueden curarse por sí solos, y sus características son difíciles de predecir. Nuestro grupo intenta fabricar materiales que sean más parecidos a la materia viva:adaptables, autocurativos y programados para cumplir funciones específicas."
El campo de la nanotecnología del ADN, establecido por primera vez por Ned Seeman, se centra en el diseño y fabricación de estructuras artificiales de ADN con posibles aplicaciones biomédicas y biofísicas. Estudios anteriores sobre nanotecnología del ADN demostraron que el ADN se puede reprogramar para controlar las propiedades de la materia a escala nanométrica.
El trabajo reciente de Krieg y su colega Yu-Hsuan Peng se basa en esfuerzos de investigación anteriores en este campo. Su objetivo era crear una matriz de hidrogel suave que pudiera albergar células vivas y, por tanto, usarse para diseñar tejidos, organoides, implantes médicos y otros sistemas biofísicos.
"Esperábamos que, utilizando los principios de la nanotecnología del ADN, pudiéramos controlar con precisión las propiedades de nuestro material blando para soportar de manera óptima las células y guiar su desarrollo", explicó Krieg. "Nuestro objetivo era crear un material que fuera totalmente sintético, biocompatible y, lo más importante, que su comportamiento mecánico fuera ajustable sin cambiar drásticamente su composición química. Por último, pero no menos importante, para nosotros era importante que el material fuera económico, como esperábamos que fuera aplicado por muchos otros grupos en el futuro."
Para crear un material versátil, sintético, biocompatible, programable y asequible, los investigadores fusionaron dos componentes diferentes. Las primeras son cadenas poliméricas pesadas y biológicamente funcionales.
"Estas cadenas de polímeros sirven como armazón estructural para el material", dijo Krieg. "Tienen cadenas laterales de ADN que permiten que más módulos basados en ADN se integren en el material, entrecrucen el polímero y lo complementen con funciones específicas".
El segundo componente del material del equipo está compuesto por módulos de ADN únicos. Estos módulos se conectan al material para programar sus propiedades y características, permitiéndole funcionar de maneras específicas.
"Una innovación clave fue nuestro uso de 'bibliotecas' basadas en ADN (mezclas complejas de cadenas de ADN) que hacen que el entrecruzamiento sea altamente eficiente", dijo Krieg. "Las secuencias de las bibliotecas de ADN también controlan características importantes del material, como la plasticidad y la rigidez a diferentes temperaturas."
La matriz dinámica de ADN reticulado creada por Krieg y sus colegas, denominada DyNAtrix, podría usarse para cultivar una variedad de células en un laboratorio, incluidas células madre pluripotentes humanas y organoides. Sorprendentemente, su material también es autocurativo y puede integrarse fácilmente con la tecnología de impresión 3D para producir una variedad de tejidos y estructuras complejos en 3D.
"El cultivo de células en DyNAtrix puede ayudar a responder preguntas sobre biología del desarrollo, podría usarse para cultivar tejidos para medicina regenerativa o para probar el efecto de candidatos a medicamentos específicos con células derivadas de pacientes. Mi esperanza es que probar medicamentos in vitro El sistema de cultivo celular algún día sustituirá por completo a las pruebas con animales."
El nuevo material introducido por este equipo de investigadores tiene el potencial de hacer avanzar pronto la investigación biomecánica, biofísica y biomédica. DyNAtrix es totalmente sintético, programable, fácil de reproducir a gran escala y se puede ajustar con alta precisión. También podría ser más fácil de usar en entornos clínicos en comparación con materiales de origen animal, como Matrigel (es decir, una matriz extraída de células tumorales de ratón que a menudo se utiliza para cultivar células en el laboratorio).
En sus próximos estudios, Krieg, Peng y sus colegas planean examinar más a fondo las aplicaciones prácticas de su matriz. Por ejemplo, empezarán a colaborar con biólogos celulares, ayudándoles a utilizar DyNAtrix para abordar problemas de investigación específicos.
"Las propiedades mecánicas ajustables de DyNAtrix lo hacen particularmente interesante para responder preguntas en el campo de la mecanobiología, tales como:¿cómo afectan las características mecánicas (rigidez, viscosidad, plasticidad) al desarrollo de las células? ¿Qué relevancia tienen estos efectos en un organismo vivo? ¿Qué importancia tienen en enfermedades como el cáncer? ¿Y cómo estimula exactamente el entorno mecánico una respuesta en los tejidos vivos? añadió Krieg.
"El trabajo en nuestro laboratorio se centra actualmente en ampliar las capacidades de DyNAtrix. Por ejemplo, al conectar sensores de fuerza fluorescentes, esperamos que las interacciones mecánicas entre las células y su entorno puedan cuantificarse en el microscopio".
La matriz DyNAtrix aún se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo, ya que todavía requiere que los investigadores agreguen manualmente módulos de ADN para inducir cambios en las propiedades de un material. En el futuro, el equipo espera seguir avanzando en su composición y rendimiento, por ejemplo mediante el uso de redes de reacción basadas en ADN más sofisticadas que le permitirían responder de forma autónoma al comportamiento de las células.
Más información: Y.-H. Peng et al, Matrices dinámicas con viscoelasticidad codificada por ADN para cultivo de células y organoides, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
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