Investigadoras e investigadores del Instituto de Investigación Sanitaria Biogipuzkoa y CIC BiomaGUNE, han desarrollado unos hidrogeles que pueden facilitar las conexiones entre neuronas. Bahaa Daou (Grupo de Células Madre y Envejecimiento de Biogipuzkoa y CIC biomaGUNE), Sonia Alonso-Martin (Grupo de Células Madre y Envejecimiento de Biogipuzkoa), Nuria Alegret (Grupo de Enfermedades Cardíacas de Biogipuzkoa) y Maurizio Prato (CIC biomaGUNE) han realizado este trabajo cuyos resultados se han publicado en la revista científica internacional Small Science.
Los neurotraumas y las enfermedades neurodegenerativas tienen un profundo impacto en la vida de los y las pacientes, al provocar la pérdida de funciones neuronales esenciales. Para contribuir a la restauración de esta funcionalidad, los hidrogeles pueden ofrecer un entorno tridimensional, como andamios para la regeneración nerviosa, favoreciendo el crecimiento y la diferenciación de nuevas neuronas. Además, se ha demostrado que los nanotubos de carbono (CNT) mejoran la señalización de las conexiones entre neuronas y promueven la formación de estas conexiones. Sin embargo, hasta hoy no se ha logrado incorporar cantidades elevadas de CNT a los hidrogeles sin comprometer la elasticidad del material.
Es conocido que ciertos estímulos químicos y mecánicos, como son el módulo de Young (un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico), el tamaño de poro, la concentración de CNT o la capacidad de la matriz para remodelarse, desempeñan un papel fundamental en la expansión celular. No obstante, la relación entre estos factores y su importancia en la determinación de estructuras similares a tejidos sobre matrices sintéticas sigue siendo un interrogante por resolver.
Por último, son muchos los factores que intervienen en la regeneración del tejido nervioso, lo que complica aún más este proceso.
Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue crear un material capaz de apoyar la síntesis ascendente de estructuras similares a tejidos en laboratorio y, eventualmente, explorar la posibilidad de reconectar nervios in vivo.
Para realizar este trabajo se utilizaron dos enfoques que permiten desarrollar hidrogeles de alcohol polivinílico y nanotubos de carbono, mediante el método de inversión de fase y la gelificación cinética lenta. Gracias a ello, se logró una capacidad de carga de CNT sin precedentes (75% p/p), sin perder elasticidad. Al controlar los factores clave que influyen en la cobertura y maduración celular, como el módulo de Young, la concentración de CNT y el tamaño de poro, se identificaron umbrales específicos en los que cada uno de estos factores pasa a dominar el crecimiento celular.
Los resultados mostraron que, cuando la concentración de CNT supera el 60% p/p, o se aplica un recubrimiento para mejorar la interacción CNT-célula, el efecto de los CNT predomina, aumentando la cobertura celular a medida que se incrementa su concentración. Por otro lado, cuando el módulo de Young cae por debajo de cierto umbral, este factor se convierte en el determinante principal del crecimiento, logrando cubrir hasta un 50% de la superficie del andamio sin importar la cantidad de CNT presentes. Finalmente, al controlar el tamaño de los poros entre 100 y 250 μm, la cobertura celular aumentó por encima del 70%, superando límites anteriores y elevando la expresión del marcador de maduración utilizado, llamado TUBB3.
En conjunto, se observó que algunos de estos factores no actúan de manera aislada, sino que se combinan de forma sinérgica, determinando en mayor medida cómo las células crecen y se organizan sobre el material. Por lo tanto, cada material presenta distintos límites que determinan qué señal o estímulo llega a dominar. De esta manera, es posible ajustar con precisión ese factor clave y favorecer una mayor expansión celular.
Así, el grupo investigador concluyó que los materiales presentan distintos umbrales en sus propiedades, lo que hace que, en cada caso, un estímulo específico pueda ser el que domine en la expansión celular. Esto explicaría por qué, en ocasiones, la concentración de CNT no influye, y lo mismo ocurre con el módulo de Young, el tamaño y la topología de los poros, o incluso con las propiedades químicas del material.
Además, estos hallazgos no solo permitieron la síntesis de hidrogeles basados en CNT, que fueron capaces de favorecer la formación de estructuras similares a tejidos, sino que también revelaron una relación desconocida entre las propiedades del material.
Gracias a ello, las y los investigadores creen que se abre la posibilidad de ajustar con precisión los andamios 3D para regenerar nervios y restaurar su funcionalidad. Tal y como reconocen, “Creemos que, en cuestión de años, será posible utilizar estos materiales para reconectar la médula espinal y los nervios periféricos, permitiendo que los pacientes recuperen, de manera total o parcial, sus capacidades sensoriales y motoras.”
Este trabajo ha sido posible a la financiación del Ministerio de Ciencia mediante una beca FP al investigador Bahaa Daou.
