Las matrices de nanocables combinadas con células biológicas pueden servir como sistemas de administración de fármacos, así como herramientas sólidas para aplicaciones avanzadas como la estimulación y la detección. En un artículo publicado en la revista Interfaces de materiales avanzadasse demostró la generación de neuronas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) en diferentes matrices de nanocables.
Estudio: Generación de neuronas derivadas de iPSC humanas en matrices de nanocables con diferentes longitudes, espacios y diámetros. Crédito: Jan Bruder/Shutterstock.com
Aquí, se combinaron tres longitudes de nanocables diferentes, tres tonos de matriz y dos diámetros de nanocables diferentes para la diferenciación neuronal. Además, las interacciones entre los nanocables y las células van desde estados similares a los de un fakir hasta estados de encapsulación de nanocables según las propiedades de la matriz.
Después de la diferenciación terminal de las células en las matrices de nanocables durante ocho a nueve días, los cultivos mostraron proporciones iguales de células positivas para marcadores neuronales. Además, las neuronas evolucionadas eran similares en términos de cinética de potencial de acción funcional, lo que especifica la equivalencia de las matrices de nanocables para la diferenciación neuronal.
Además, las matrices de nanocables funcionalizados pueden contribuir a la medicina regenerativa y la investigación con células madre para desarrollar una comprensión de mecanismos tales como la edición de genes in vitro basada en nanocables y el suministro intracelular de biomoléculas para regular la diferenciación neuronal.
Tecnologías basadas en iPSCs humanas
Las matrices de nanocables pueden servir como sustratos de cultivo celular y desempeñar un papel importante en el establecimiento de herramientas novedosas para el interrogatorio y la estimulación celular. Aunque los informes anteriores han mencionado las capacidades de las matrices de nanocables al probar una variedad de tipos de células, como las células HEK293, GPE86 y HeLa, las células madre mesenquimales (MSC) y las neuronas primarias de roedores, las células más desafiantes son como las derivadas de humanos. Las iPSC pueden mejorar las aplicaciones biomédicas.
Las iPSC se producen por la coexpresión de factores definidos asociados a la pluripotencia. Las verdaderas iPSC podrían convertirse en un embrión completo junto con membranas extraembrionarias. Dado que la pluripotencialidad total de las iPSC se ha demostrado previamente en varios estudios mediante pruebas rigurosas, es posible derivar iPSC verdaderamente pluripotentes a partir de células somáticas. Debido a estas propiedades, las iPSC tienen numerosas aplicaciones biomédicas.
Las tecnologías basadas en iPSC humanas han hecho una gran contribución en el campo de la investigación y aplicación preclínica. Estas tecnologías sortearon las controversias éticas y políticas en torno a las células madre embrionarias (ESC) y ayudaron a crear importantes tipos de células, incluidos los organoides cerebrales y los modelos de barrera hematoencefálica.
Las matrices de nanocables pasivos interactúan con el núcleo para medir las propiedades mecánicas celulares, estimular la maquinaria de mecanotransducción o reorganizar la actina. Las fuertes interacciones entre el sustrato y la membrana celular ayudan a mejorar el registro eléctrico y estimulan las nanoestructuras equipadas con conjuntos de microelectrodos.
Las propiedades fotoelectroquímicas de los nanocables, ya sea en forma de conjuntos o separados (del sustrato), se pueden utilizar para regular las actividades neuronales o cardíacas. Además, los nanocables pueden soportar el suministro intracelular por endocitosis o por inyección directa en la célula por electroporación en el caso de un nanocable hueco.
Generación de neuronas a partir de iPSC humanas
Aunque estudios anteriores mencionaron la posibilidad de generar neuronas a partir de iPSC humanas en matrices de nanocables, los sustratos utilizados en estos estudios presentaban nanocables tan cortos como 1 micrón, lo que resultó en una tensión limitada en las células. Por lo tanto, el impacto de la geometría de la matriz de nanocables en la diferenciación neuronal seguía sin estar claro.
En el presente estudio, se demostró la generación de neuronas a partir de iPSC humanas en matrices de nanocables después de 14 a 15 días de diferenciación celular, que tienen diferentes combinaciones de tres longitudes diferentes de nanocables, tres espaciados de matriz diferentes y dos diámetros diferentes de nanocable.
Las diferentes interacciones entre las matrices de nanocables y las neuronas dieron como resultado variaciones significativas en las propiedades de las matrices de nanocables. Estas interacciones de matrices de células y nanocables iban desde estados similares a los de un fakir hasta estados de encapsulación de nanocables, con la célula encapsulando los nanocables. Si bien se observó la encapsulación de nanocables para nanocables cortos, espaciado de matriz grande y diámetros gruesos, se observaron estados similares a los de fakir para nanocables largos, espaciado de matriz pequeño y diámetros delgados.
Las matrices de nanocables con nanocables de 5 micras mostraron hendiduras y deformaciones graves de las neuronas, incluido su núcleo. La interacción diferencial de las células con matrices de nanocables no afectó a las células positivas para marcadores neuronales incluso después de ocho a nueve días de diferenciación celular en matrices de nanocables.
Además, las propiedades electrofisiológicas de las neuronas generadas determinaron la calidad de la diferenciación neuronal en matrices de nanocables. Los sustratos de cultivo utilizados para la diferenciación neuronal fueron equivalentes, lo que demuestra la posible aplicación de matrices de nanocables funcionalizados para neuronas derivadas de iPSC humanas.
Conclusión
En resumen, el presente estudio demostró la generación de neuronas a partir de iPSC humanas en ensayos de nanocables con múltiples especificaciones geométricas, como diferentes longitudes de nanocables, espaciado de matrices y diferentes diámetros de nanocables dentro de los 14 a 15 días posteriores al cultivo.
La diferenciación neuronal mostró similitud con el control planar en cuanto a sus propiedades electrofisiológicas y marcadores neuronales. A pesar de los desafíos topográficos, la equivalencia en la diferenciación neuronal puede respaldar futuras aplicaciones de matrices de nanocables al permitir el ajuste de sus propiedades físicas.
Los resultados demostraron la posibilidad de combinar matrices de nanocables con neuronas derivadas de iPSC humanas que exhiben ensamblaje de propiedades geométricas para facilitar diversas aplicaciones potenciales. Por lo tanto, se espera que las matrices de nanocables contribuyan a la medicina regenerativa y la investigación con células madre, mejorando el interrogatorio y la diferenciación celular.
Relación
Harberts J, Siegmund M, Hedrich C, Kim W, Fontcuberta I A, Zierold R, Blick RH (2022) Generación de neuronas humanas derivadas de iPSC en matrices de nanocables con diferentes longitudes, pasos y diámetros. Madre adulta. interfaceshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202200806
