Nuevos andamios basados ​​en plantas combinan con alternativas animales para la ingeniería de tejidos

28 de diciembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) La ingeniería de tejidos busca reparar los tejidos dañados proporcionando andamios celulares que apoyan la regeneración. Idealmente, estos andamios deberían ser materiales biocompatibles y biodegradables que se integren con el tejido circundante. Actualmente, las proteínas de origen animal, como la gelatina, sirven como materiales de andamiaje comunes. Sin embargo, investigaciones recientes exploran alternativas basadas en plantas, que ofrecen abundante disponibilidad, sostenibilidad y personalización. Hasta ahora, los andamios construidos a partir de colágeno animal mostraron eficacia, pero enfrentaron limitaciones de abastecimiento. Los biopolímeros vegetales ahora surgen como candidatos a sustitutos, pero requieren evaluaciones de compatibilidad. Un estudio reciente en Investigación avanzada NanoBioMed (“Plant-Derived Zein as an Alternative to Animal-Derived Gelatin for Use as a Tissue Engineering Scaffold”) evalúa la proteína zeína de maíz versus gelatina estándar para estructuras de células madre humanas. Los hallazgos demuestran la estabilidad de la zeína, sus capacidades de soporte celular y in vivo compatibility – establishing viability as a gelatin substitute. Ilustración esquemática del andamio de zeína electrohilada y su evaluación para su uso como andamio de ingeniería de tejidos. Los andamios de Zein apoyaron el crecimiento, la adhesión y la infiltración de MSC humanas en el andamio. Las comparaciones se realizaron con estructuras de gelatina. Los andamios de zein también apoyaron el mantenimiento de la multipotencia de MSC. También se determinó en un modelo subcutáneo la biocompatibilidad de los armazones de zeína con o sin MSC. Los hallazgos demuestran el potencial de la zeína como armazón de ingeniería de tejidos. (© Wiley-VCH Verlag)

Contexto detrás de la investigación

Tissue engineering emerged in the 1980s when cell biologists recognized that combining scaffold structures with living cells could repair damaged human tissues. Early research focused on bone and cartilage regeneration. The seminal concept involved seeding an implantable 3D structure with tissue-forming cells, then surgically introducing this construct to stimulate tissue regeneration in vivo. Biocompatible and biodegradable scaffolds provide temporary stability and shape while transplanted or host cells deposit new extracellular matrix, gradually replacing the scaffold. Collagen proteins like gelatin performed well here due to native bioresorbability and innate cell adhesion molecules. However, researchers lacked fine control over animal-sourced scaffold degradation, hampering medical translations. Custom-engineered plant biopolymers now offer tailorable alternatives for tissue engineering scaffolds. Zein protein from corn shows particular promise as its amino acid composition suits enzymatic biodegradation. Compared to gelatin, zein also confers superior scaffold stability as its hydrophobic residues resist hydration swelling – beneficial for maintaining structural integrity. Despite zein’s advantages, very few studies assessed feasibility as a lone scaffold component for tissue engineering. Addressing this gap, Limaye et al. fabricated zein-only fibrous scaffolds using an established electrospinning technique that creates mats mimicking native cellular matrix. Researchers then evaluated zein scaffold performance for human stem cell growth and tissue compatibility relative to standard gelatin controls.

Evaluación de la bioestabilidad del andamio de Zein

Al evaluar inicialmente la estabilidad física, las pruebas mostraron que los andamios de zeína mantenían la integridad estructural en el líquido durante más de 3 semanas mientras se hinchaban menos que la gelatina. La pérdida de proteínas de los andamios durante este período fue comparable. Estos hallazgos demuestran que la electrohilación de zeína en estructuras proporciona estructuras estabilizadas para el cultivo celular, superando la inestabilidad previa que limitaba la adopción de la zeína.

Evaluación de las interacciones de las células madre

Limaye et al next seeded scaffolds with human mesenchymal stem cells (MSCs) – multipotent progenitors that give rise to skeletal tissues. Over 2 weeks, microscopy revealed MSCs adhered, spread, and proliferated on zein fibers similarly to gelatin controls. Closer inspection found cells expressed key adhesion proteins like focal adhesion kinase and alpha-v-beta-3 integrin when attaching to either scaffold, enabling cell anchorage. Interestingly, cells migrated deeper into 3D zein scaffolds compared to gelatin, showing superior infiltration. This integration with surrounding structure benefits implant integration in intended tissue engineering applications.

Evaluación En Vivo Respuesta

La prueba definitiva para los biomateriales implica la implantación quirúrgica para examinar las reacciones locales del tejido. Aquí, los investigadores introdujeron estructuras de zeína cargadas de células madre debajo de la piel de ratones y recuperaron las muestras después de 2 y 6 semanas. Al igual que en la gelatina, la histología reveló que las células reclutadas poblaban los andamios, mientras que los signos de crecimiento interno de los vasos sanguíneos apoyaban la integración. Los andamios generalmente mantuvieron una morfología fibrosa a medida que las células depositaban matriz de tejido conectivo sin indicios de rechazo inmunológico. Confirmando la biocompatibilidad de la zeína y el potencial de soporte celular in vivo, these results boost confidence for medical transition. Importantly, upon extracting stem cells from zein scaffolds after 1 week then inducing lineage specification, cells retained multilineage differentiation capacity – demonstrating zein permits expanding stem cell populations while retaining progenitor potency required for subsequent tissue regeneration.

Realización de andamios de tejidos a base de plantas

En general, este estudio posiciona de manera única a la zeína como una alternativa de origen vegetal diseñada a medida a los soportes de tejido animal estándar. Al igualar el soporte de las células madre de la gelatina y al mismo tiempo permitir estructuras electrohiladas estables, la zeína demuestra la biocompatibilidad necesaria para la medicina regenerativa. Estos hallazgos allanaron el camino para un mayor desarrollo, acercando a la sociedad a la obtención de materiales de andamiaje abundantes y sostenibles para la ingeniería de tejidos.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=64322.php