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Method Article
En este estudio, se desarrollaron y caracterizaron hidrogeles compuestos miméticos nerviosos que se pueden utilizar para investigar y capitalizar el comportamiento pro-regenerativo de las células madre derivadas del tejido adiposo para la reparación de lesiones de la médula espinal.
La lesión traumática de la médula espinal (LME) induce un déficit sensoriomotor permanente por debajo del sitio de la lesión. Afecta aproximadamente a un cuarto de millón de personas en los Estados Unidos y representa un problema de salud pública inconmensurable. Se han llevado a cabo investigaciones para proporcionar una terapia eficaz; sin embargo, la lesión de la médula espinal todavía se considera incurable debido a la naturaleza compleja del sitio de la lesión. Se investigan diversas estrategias, como la administración de fármacos, el trasplante de células y los biomateriales inyectables, pero una sola estrategia limita su eficacia para la regeneración. Como tal, recientemente han ganado atención las terapias combinatorias que pueden dirigirse a las características multifacéticas de la lesión. Se ha demostrado que las matrices extracelulares (MEC) pueden aumentar la eficacia del trasplante de células para la LME. Para ello, se desarrollaron y caracterizaron hidrogeles 3D formados por médula espinal descelularizada (dSCs) y nervios ciáticos (dSNs) en diferentes proporciones. El análisis histológico de los dSCs y dSNs confirmó la eliminación de componentes celulares y nucleares, y las arquitecturas de los tejidos nativos se mantuvieron después de la descelularización. Posteriormente, se crearon hidrogeles compuestos en diferentes proporciones volumétricas y se sometieron a análisis de turbidez, cinética de gelificación, propiedades mecánicas y viabilidad de células madre derivadas del tejido adiposo humano (hASC) incrustadas. No se encontraron diferencias significativas en las propiedades mecánicas entre las diferentes proporciones de hidrogeles y matrices de médula espinal descelularizadas. Las ASC humanas incrustadas en los geles permanecieron viables durante los 14 días de cultivo. Este estudio proporciona un medio para generar hidrogeles combinatorios de ingeniería tisular que presentan ECM específica del nervio y células madre mesenquimales pro-regenerativas. Esta plataforma puede proporcionar nuevos conocimientos sobre las estrategias neuro-regenerativas después de la LME con futuras investigaciones.
Aproximadamente 296,000 personas sufren de LME traumática, y cada año hay alrededor de 18,000 nuevos casos de LME en los EE. UU.1. La lesión traumática de la médula espinal suele ser causada por caídas, heridas de bala, accidentes automovilísticos y actividades deportivas y, a menudo, provoca la pérdida permanente de la función sensoriomotora por debajo del lugar de la lesión. Los gastos estimados de por vida para el tratamiento de la LME oscilan entre uno y cinco millones de dólares por individuo, con una esperanza de vida significativamente más baja. Sin embargo, la LME sigue siendo poco conocida y en gran medida incurable, principalmente debido a las complejas consecuencias fisiopatológicas después de la lesión2. Se han investigado varias estrategias, entre ellas el trasplante de células y los andamios basados en biomateriales. Si bien el trasplante de células y biomateriales ha demostrado potencial, la naturaleza multifacética de la LME sugiere que los enfoques combinatorios pueden ser más beneficiosos3. Como resultado, se han investigado muchas estrategias combinatorias y se ha demostrado una mejor eficacia terapéutica que los componentes individuales. Sin embargo, se necesitan más estudios para proporcionar nuevos biomateriales para la administración de células y fármacos3.
Un enfoque prometedor para la fabricación de hidrogeles naturales es la descelularización de tejidos. El proceso de descelularización utiliza métodos iónicos, no iónicos, físicos y combinatorios para eliminar todos o la mayoría de los materiales celulares y nucleicos mientras se conservan los componentes de la MEC. Al eliminar todos o la mayoría de los componentes celulares, los hidrogeles derivados de la MEC son menos inmunorreactivos para el huésped después de la implantación/inyección4. Hay varios parámetros que se deben medir para evaluar la calidad de los tejidos descelularizados: eliminación del contenido celular/nucleico, propiedades mecánicas y conservación de la MEC. Se han establecido los siguientes criterios para evitar respuestas inmunitarias adversas: 1) menos de 50 ng de ADN bicatenario (dsDNA) por mg de peso seco de ECM, 2) menos de 200 pb de longitud del fragmento de ADN, y 3) casi o ningún material nuclear visible teñido con 4'6-diamidino-2-fenilindol (DAPI)5. Las propiedades mecánicas pueden cuantificarse mediante ensayos de tracción, compresión y/o reología, y deben ser similares al tejido original6. Además, la conservación de proteínas puede evaluarse mediante proteómica o ensayos cuantitativos centrados en los componentes principales de los tejidos descelularizados, por ejemplo, laminina, glicosaminoglicano (GAG) y proteoglicano de sulfato de condroitina (CSPG) para la médula espinal 7,8. Los hidrogeles verificados derivados de la MEC pueden recelularizarse con diferentes tipos de células para ayudar a la terapia basada en células9.
Se han estudiado diversos tipos de células, como las células de Schwann, las células de la envoltura olfativa, las células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea (MSC) y las células madre/progenitoras neurales, para la reparación de la LME 10,11,12. Sin embargo, el uso clínico de estas células es limitado debido a preocupaciones éticas, escasa integración con células/tejidos vecinos, falta de fuentes de tejidos de alto rendimiento, incapacidad para autorrenovarse y/o capacidad proliferativa limitada 13,14,15. A diferencia de estos tipos de células, las MSCs derivadas del tejido adiposo humano (hASCs) son candidatas atractivas porque se aíslan fácilmente de forma mínimamente invasiva mediante lipoaspirados, y se puede obtener un gran número de células16. Además, las hASC tienen la capacidad de segregar factores de crecimiento y citocinas que tienen potencial de neuroprotección, angiogenética, cicatrización de heridas, regeneración de tejidos e inmunosupresión 17,18,19,20,21.
Como se ha descrito, se han realizado múltiples estudios 22,23,24 y se ha aprendido mucho de ellos, pero las características heterogéneas de la LME han limitado su eficacia para promover la recuperación funcional. Como tal, se han propuesto enfoques combinatorios para aumentar la eficacia del tratamiento para la LME. En este estudio, se desarrollaron hidrogeles compuestos combinando médula espinal descelularizada y nervios ciáticos para un cultivo tridimensional (3D) de hASC. El éxito de la descelularización se confirmó mediante análisis histológicos y de ADN, y se caracterizaron diferentes proporciones de hidrogeles compuestos nerviosos mediante cinética de gelificación y pruebas de compresión. Se investigó la viabilidad de las hASC en los hidrogeles compuestos nerviosos para demostrar que este hidrogel puede utilizarse como plataforma de cultivo celular en 3D.
Los tejidos porcinos se obtuvieron comercialmente, por lo que no se requirió la aprobación del comité de ética animal.
1. Descelularización de la médula espinal porcina (Tiempo estimado: 5 días)
NOTA: Realizar la descelularización utilizando protocolos previamente establecidos con modificaciones25,26. Todos los procedimientos deben realizarse en una cabina de bioseguridad estéril a temperatura ambiente, a menos que se indique lo contrario. Todas las soluciones deben filtrarse estérilmente utilizando un filtro superior de botella (tamaño de poro de 0,2 μm) en botellas esterilizadas en autoclave. Los procedimientos que se llevarán a cabo a 37 °C se pueden realizar dentro de una incubadora o en un horno limpio ajustado a 37 °C.
2. Descelularización del nervio ciático porcino (Tiempo estimado: 5 días)
NOTA: Realizar la descelularización utilizando un protocolo previamente establecido27. Todos los procedimientos deben realizarse en una cabina de bioseguridad estéril a temperatura ambiente, a menos que se indique lo contrario. Todas las soluciones deben filtrarse estérilmente utilizando un filtro superior de botella (tamaño de poro de 0,2 μm) en botellas esterilizadas en autoclave. Los procedimientos que se llevarán a cabo a 37 °C se pueden realizar dentro de una incubadora o en un horno limpio ajustado a 37 °C.
3. Digestión de tejidos descelularizados y fabricación de hidrogeles compuestos (Tiempo estimado: 4 días)
4. Verificación de la descelularización
5. Caracterización de hidrogeles compuestos
6. Cultivo tridimensional de ASCs humanas en hidrogeles compuestos nerviosos
Los tejidos descelularizados se prepararon utilizando protocolos previamente establecidos con ligeras modificaciones26,27. Después de la descelularización, liofilización y digestión, se fabricaron hidrogeles compuestos nerviosos en proporciones de SN:SC = 2:1, 1:1, 1:2 e hidrogeles solo de la médula espinal (Figura 1). La remoción de componentes nucleares se confirmó mediante tinción de H&E (...
Se cree ampliamente que la fisiopatología de la LME es compleja y multifacética. A pesar de que las terapias individuales, como el trasplante de células, la administración de fármacos y los biomateriales, han proporcionado información valiosa sobre la LME, la naturaleza complicada de la LME puede limitar su eficacia individual 28,29,30,31. Por lo tanto, l...
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación PhRMA y los Institutos Nacionales de Salud a través del premio número P20GM139768 y R15NS121884 otorgado a YS. Queremos agradecer al Dr. Kartik Balachandran y al Dr. Raj Rao del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Arkansas por permitirnos utilizar sus equipos. Además, queremos agradecer al Dr. Jin-Woo Kim y al Sr. Patrick Kuczwara del Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola de la Universidad de Arkansas por brindar capacitación sobre reómetro.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3-(Decyldimethylammonio)propane sulfonate inner salt | Sigma-Aldrich | D4266 | Used during sciatic nerve decellularization, SB-10 |
3-(N,N-Dimethylpalmitylammonio)propane sulfonate | Sigma-Aldrich | H6883 | Used during sciatic nerve decellularization, SB-16 |
AlamarBlue reagent | Fisher Scientific | DAL1100 | Used during AlamaBlue cell viabiiltiy test |
Chondroitinase ABC | Sigma-Aldrich | C3667 | Used during sciatic nerve decellularization |
Cryostat | Leica | CM1860 | |
Deoxyribonuclase | Sigma-Aldrich | D4263 | Used during sciatic nerve decellularization |
Disodium hydrogen phosphate heptahydrate | VWR | BDH9296 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
DNeasy Blood & Tissue kit | Qiagen | 69506 | Used during DNA analysis |
Dpx Mountant for histology,slide mounting medium | Sigma-Aldrich | 6522 | Used during H&E staining |
Eosin | Sigma-Aldrich | HT110216 | Used during H&E staining |
Ethanol | VWR | 89125-172 | |
Formaldehyde | Sigma-Aldrich | 252549 | Used during H&E staining |
Glutaraldehyde (GA) | Sigma-Aldrich | G6257 | Used during PDMS surface functionalization |
hASC growth media | Lonza | PT-4505 | Used to culture hASCs, containing of fetal bovine serum and penicilin/streptomycin |
Hematoxylin | VWR | 26041-06 | Used during H&E staining |
human adipose-derived stem cell | Lonza | PT-5006 | |
Hydrochloric acid (HCl) | Sigma-Aldrich | 320331 | Used to digest decellularizied tissues and adjust pregels solutions |
M199 media | Sigma-Aldrich | M0650 | Used to dilute pregels to desired concentration |
Optimal cutting temperatue compound | Tissue-Tek | 4583 | |
Pepsin | Sigma-Aldrich | P7000 | Used to digest decellularized tissues |
Peracetic acid | Lab Alley | PAA1001 | Used during spinal cord decellularization |
Phosphate buffered saline (PBS) | VWR | 97062-948 | |
Plate reader | BioTek Instruments | Synergy Mx | |
Polyethyleneimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 181978 | Used during PDMS surface functionalization |
Porcine sciatic nerve | Tissue Source LLC | Live pigs, with no identifiable information and no traceability details | |
Porcine spinal cord | Tissue Source LLC | Live pigs, with no identifiable information and no traceability details | |
QuantiFluor dsDNA system | Promega | E2670 | Used to analyze DNA contents |
Rheometer | TA Instruments | DHR 2 | |
Rugged rotator | Glas-co | 099A RD4512 | Used during spinal cord decellularization |
Sodium chloride (NaCl) | VWR | BDH9286 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | VWR | BDH9298 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
Sodium hydroxide solution (NaOH) | Sigma-Aldrich | 415443 | Used to adjust pregels solutions |
SU-8 | Kayaku advnaced materials | SU8-100 | Used to coat silicon wafer |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S8501 | Used during spinal cord decellularization |
Sylgard 184 silicone elastomer kit | DOW | 1317318 | Polydimethylxiloxane (PDMS) base and curing agent |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Used during spinal cord decellularization |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Thermo Fisher | 25300062 | Used during hASC work and during spinal cord decellularization |
Tube revolver rotator | Thermo Fisher | 88881001 | Used during sciatic nerve decellularization |
Xylene | VWR | MK866816 | Used during H&E staining |
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