Tres preguntas: Anna Jagielska sobre la impresión de axones artificiales

Tres preguntas: Anna Jagielska sobre la impresión de axones artificiales

junio 30, 2021 0 Por RenzoC

Decenas de millones de personas en todo el mundo padecen enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson, la esclerosis múltiple y la enfermedad de Lou Gehrig, pero no existen tratamientos eficaces para estas afecciones.

La investigadora Anna Jagielska del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT cree que reparar la mielina que rodea los axones es clave para preservar la función neurológica y ralentizar o detener la neurodegeneración. Su equipo, con el apoyo del Centro de Innovación Tecnológica Deshpande del MIT, el Departamento de Defensa de EE. UU., Sanofi-Genzyme y otros, está desarrollando axones artificiales utilizando impresión 3D avanzada con la esperanza de acelerar el descubrimiento de fármacos que estimulen la reparación de la mielina.

D: ¿Cuáles son los principales obstáculos para el desarrollo de fármacos para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas?

A: La falta actual de un modelo de predicción de enfermedades y herramientas de descubrimiento de fármacos hace que más del 90% de los candidatos a fármacos neurológicos fracasen en los ensayos clínicos. Tener una herramienta predictiva ahorraría tiempo y costos a las compañías farmacéuticas en lo que es un proceso de desarrollo de fármacos largo y de varios años.

Nuestras herramientas se enfocan en la mielina, y muchas enfermedades neurológicas están asociadas de alguna manera con daño o alteración de la mielina, la vaina protectora alrededor de los axones. Cada neurona tiene una fibra larga y delgada llamada axón que transmite impulsos eléctricos por todo el sistema nervioso para que podamos mover nuestras extremidades, ver y respirar. Cuando se daña el revestimiento de mielina alrededor de los axones, un proceso conocido como desmielinización, la conducción nerviosa se ralentiza o se pierde y los axones pueden morir. Esto puede afectar las funciones motoras y cognitivas y provocar una pérdida permanente de la visión y una discapacidad. En muchas de estas enfermedades, el cuerpo no regenera suficientemente la mielina por sí solo. Sin embargo, si un fármaco pudiera estimular al cuerpo a generar nuevas vainas de mielina, un proceso conocido como remielinización, esto podría proteger a los axones de la muerte y preservar su función neurológica. Estamos desarrollando axones artificiales que imitan un entorno en el que la mielina crece y se envuelve alrededor de estos axones como si estuvieran en el cerebro. Esta herramienta permitiría a los investigadores ver cómo diferentes fármacos estimulan eficazmente el crecimiento de la mielina.

D: ¿Cómo pueden los axones artificiales ser potencialmente transformadores para el descubrimiento de fármacos?

A: Los axones artificiales satisfacen una necesidad insatisfecha al proporcionar las herramientas adecuadas para comenzar a abordar estas enfermedades neurológicas. Al proporcionar una representación suficientemente precisa de los entornos neuronales para cada una de estas enfermedades, esperamos ayudar a desarrollar terapias que puedan aliviarlas. Encontrar medicamentos que restauren la mielina ayudaría a ralentizar la progresión de enfermedades como la esclerosis múltiple, que se caracteriza por episodios sucesivos de desmielinización que conducen a una pérdida progresiva de la función del sistema nervioso.

El desarrollo en la etapa inicial de dichos medicamentos es donde esta tecnología puede ser más útil. Los axones artificiales imitan las células cerebrales compatibles y facilitan la cuantificación directa de la mielinización. La plataforma impresa en 3D equilibra la complejidad de las características biofidélicas de las neuronas con la simplicidad de las matrices de polímeros diseñadas para observar y cuantificar los oligodendrocitos, las células mielinizantes del cerebro, a medida que crecen, maduran y envuelven la mielina alrededor de los axones artificiales, de la misma manera en que lo hacen. haría en el cerebro.

Nuestra plataforma tiene muchas ventajas sobre las herramientas actuales. Los platos de cultivo de tejidos planos tradicionales hechos de plástico duro y rígido proporcionan el entorno incorrecto para las células neuronales, posiblemente alterando las respuestas de las células a los medicamentos en comparación con la forma en que las células responderían en el cuerpo. Además, no es posible estudiar la mielinización en estas placas planas, porque este proceso requiere la presencia de estructuras tridimensionales similares a axones. Los axones artificiales, por otro lado, imitan la baja rigidez mecánica de los axones reales, que es seis órdenes de magnitud menos rígida que las placas de plástico, así como las propiedades geométricas de los axones, hasta órdenes de micrómetros. Los axones artificiales también son independientes de los medicamentos, lo que significa que le permiten probar una variedad de compuestos en ellos. La plataforma es altamente sintonizable. Los axones artificiales se pueden moldear con diferentes formas, diámetros, densidades, propiedades mecánicas y ligandos de superficie para modelar enfermedades específicas.

Nuestro formato es compatible con configuraciones farmacéuticas para la detección de drogas. Hemos mejorado el rendimiento de fabricación para producir muestras altamente reproducibles en un corto período de tiempo, una placa de 96 pocillos en minutos.

D: ¿Cómo se adapta la composición de su equipo a la creación de estas herramientas para el proceso de descubrimiento de fármacos?

A: Nuestro grupo de Laboratorio Van Vliet para Quimiomecánica de Materiales tiene diferentes habilidades. Contamos con personas con experiencia tanto en biología celular como en desarrollo de materiales. También desarrollamos herramientas para estudiar y caracterizar las células y su entorno tisular, para comprender cómo este entorno impulsa el comportamiento celular en la salud y la enfermedad. Hemos trabajado durante años para comprender la geometría de los axones y el cambio de rigidez en las enfermedades neurodegenerativas y cómo esto afecta la reparación de la mielina. Este conocimiento de las interacciones entre las células neuronales y su entorno nos ha permitido crear axones artificiales que imitan características clave del entorno cerebral que son importantes para la biología y mielinización de las células neuronales.

Para imitar los axones, hemos desarrollado un nuevo hidrogel biocompatible, tratable con rayos ultravioleta. Este material permitió la creación de fibras independientes muy delgadas con una rigidez extremadamente baja, similar a los axones reales. Para desarrollar una tecnología de fabricación confiable para nuestra plataforma, la estudiante de doctorado Daniela Espinosa-Hoyos PhD ’20 y yo nos asociamos con el grupo del profesor Nicholas Fang en el Departamento de Ingeniería Mecánica, los expertos en impresión 3D. Construyeron impresoras 3D especializadas basadas en una técnica llamada microestereolitografía de proyección. Juntos, hemos desarrollado un método que puede producir de forma reproducible estas complejas estructuras a escala micrométrica. Este trabajo se basó en una colaboración previa con el equipo de Jennifer Lewis, profesora de la Universidad de Harvard, utilizando la impresión de inyección de tinta directa de fibras de hidrogel soportadas.