Ciencia Kanija

Científicos de la Universidad de Delaware han inventado un nuevo biomaterial con sorprendentes propiedades antibacterianas que puede inyectarse como un gel de baja viscosidad en una herida donde se queda rígido casi al contactar – abriendo la puerta a la posibilidad de enviar una carga prevista de células y antibióticos a reparar el tejido dañado.

Fibroblastos de ratón (células que forman el tejido conectivo) en la superficie de un hidrogel de la UD. El hidrogel proporciona un “andamio” donde las células pueden colgarse y crecer. Imagen cortesía de Joel Schneider.

Regenerar el tejido sano en un hígado canceroso, curar una biopsia y proporcionar a los soldados heridos en la batalla un tratamiento médico contra las infecciones están entre la miríada de usos que los científicos prevén para esta nueva tecnología.

El invento patentado por Joel Schneider, profesor asociado de la UD de química y bioquímica, y Darrin Pochan, profesor asociado de ciencia de los materiales, y sus grupos de investigación marcan un gran paso adelante en el desarrollo de hidrogeles para aplicaciones médicas.

Formular los hidrogeles como vehículos de reparto para las células extiende los usos de estos polímeros más allá de las lentes de contacto blandas en un mundo intrigante visto en un tiempo dentro del dominio de la ciencia ficción, incluyendo huesos crecientes y órganos que reemplacen a aquellos que están enfermos o heridos.

“Esta es un área que se explotará durante la próxima década”, dijo Pochan.

Los hidrogeles están formados por redes de cadenas de polímeros superabsorbentes. Aunque no son solubles en agua, pueden absorber gran cantidad de ella, y su estructura porosa permite a los nutrientes y células pasar a través de ella.

Schneider y Pochan y sus equipos de investigación se han centrado en el desarrollo de hidrogeles basados en péptidos que, una vez implantados en el cuerpo humano, se convertirán en andamios para que las células crezcan sobre ellos – células como los fibroblastos, que forman el tejido conectivo, y los osteoblastos, que forman los huesos.

“Son como las barras de refuerzo que se usan cuando construyes algo de hormigón”, dijo Schneider. “Dan soporte a algo para que se construya sobre él”.

La base de los hidrogeles de la UD es “MAX1”, un péptido autoensamblable diseñado hace seis años y nombrado así por el hijo de Pochan, Max.

Los péptidos son cadenas cortas de aminoácidos, los constituyentes básicos de las proteínas. Distintos aminoácidos se unen entre sí para formar cadenas, las cuales se pliegan en formas más compactas con funciones específicas.

Los científicos de la UD Joel Schneider (derecha) y Darrin Pochan han inventado un nuevo hidrogel basado en péptidos para gran cantidad de potenciales aplicaciones médicas.

El péptido que Schneider y Pochan y sus equipos de investigación diseñaron experimenta un “autoensamblado” por disparo, lo que significa que el péptido se plegará automáticamente en una forma específica en respuesta a un disparador concreto, o estímulo ambiental, tal como la exposición a la luz. Tras plegarse, se autoensambla, proporcionando el hidrogel.

Usando “MAX8”, la octava iteración del péptido original, Lisa Haines-Butterick, estudiante de doctorado del grupo de Schneider, imaginó cómo sería encapsular células vivas en el hidrogel y luego inyectar el hidrogel en lugares secundarios sin dañar las células.

“Aunque actualmente sólo hemos demostrado esta capacidad de nuestro gel usando modelos simples, prevemos que cuando lo inyectemos en el cuerpo, las células encapsuladas en el gel pueden propagar su tarea de reestructurar el tejido”, explicó Schneider.

Los hidrogeles basados en péptidos de la UD muestran varias características novedosas. No son sólo citocompatibles, lo que significa que no son tóxicos para las células vivas que han reclutado para transportar, sino que algunos de los geles son, de forma inherente, antimicrobianos, acabando con ciertos tipos de bacterias gram-negativo y gram-positivo, una característica que está explorando actualmente el equipo de investigación.

Los hidrogeles de la UD también pueden ser liofilizados en polvo y reconstituidos en una solución para su uso. Pueden inyectarse desde una jeringuilla, ofreciendo una aproximación mínimamente invasiva al tratamiento médico, así como un método “a prueba de filtraciones” para enviar potencialmente células y medicinas a un órgano herido o enfermo.

Las colaboraciones con los médicos del Sistema de Atención Sanitaria Christiana en Newark, Delaware, pueden llevar a futuros desarrollo de los hidrogeles. Schneider comenzó a trabajar hace poco con el Dr. Joseph Bennett, cirujano en el Centro para el Cáncer Helen F. Graham que extirpa tumores de hígado.

Tanto Schneider como Pochan atribuyen esta nueva colaboración al Centro de Investigación del Cáncer Traslacional, una colaboración del Sistema de Atención Sanitaria Christiana, el Hospital para Niños A. I. duPont y la UD, incluyendo el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Delaware. El centro está bajo la dirección de Mary C. Farach-Carson profesor de ciencias biológicas y ciencias de los materiales en la UD.

“Ya sabes, el hígado es un órgano sorprendente”, dijo Schneider. “Tiene la capacidad de regenerarse a sí mismo con bastante facilidad. Si se pierde casi el 70 por ciento del mismo y se elimina, el 30 por ciento restante puede volver a crecer, proporcionando un hígado funcional. Queremos usar hidrogeles para llevar hepatocitos al hígado”, apunta. “Esto podría usarse para aumentar la función del hígado antes de una intervención quirúrgica si, por ejemplo, alguien padece hepatitis, o bebe mucho, factores que normalmente limitarían la cantidad de hígado canceroso que podría eliminarse”.

Aunque Schneider y Pochan no son Félix y Óscar en “La extraña pareja”, trabajan en disciplinas científicas muy distintas, y siempre están gastando bromas.

Ambos científicos llegaron a la facultad de la UD en 1999. Se encontraron durante la nueva orientación de la facultad en la casa del presidente, sentados en la misma mesa.

“La casualidad puede en realidad ser tu amiga”, dijo Pochan.

Vista cercana sobre los hidrogeles de la UD.

Además de aprender sobre la investigación del otro, Pochan y Schneider también encontraron que vivieron en el mismo vecindario de Filadelfia, aunque en distintas épocas (Schneider durante su investigación de posgraduado en la Universidad de Pennsylvania, y Pochan durante sus primeros años en la UD), e incluso habían tenido amigos comunes.

“¿Cuáles son las posibilidades?”, dijo Schneider.

Ambos científicos desde entonces han conseguido ganar el prestigioso premio de la Fundación Nacional de Ciencia, Desarrollo de Carrera Inicial de la Facultad en 2004 y el Premio al Profesor Joven DuPont (Pochan en 2002 y Schneider en 2005). Schneider también recibió el Premio al Joven Estudiante de la Sociedad Francis Alison en 2003, y Pochan es el galardonado de este año para la Medalla John H. Dillon de la Sociedad Física Americana.

“La cosa es que, él solía tirar estas cosas”, dijo Pochan, refiriéndose a los hidrogeles y apuntando con el pulgar a Schneider.

“Para la investigación en la que estaba trabajando cuando era estudiante graduado hace mucho tiempo, lo último que quería hacer era trabajar con hidrogeles”, explicó Schneider, “por lo que cuando termine trabajando con ellos, los tiré fuera. Entonces Darrin me dijo, “Sabes, esas cosas son realmente muy interesantes….”

“Ha sido una colaboración muy exitosa”, añadió Schneider. “Una gran cantidad de fantásticos estudiantes y otra gente de dentro y fuera del campus han ayudado a la realización de esto”, apunta. “Sin estos estudiantes y colaboradores, este trabajo sería imposible”.

El estudio más reciente de Schneider y Pochan sobre hidrogeles se publicó el 8 de mayo en la edición impresa de Proceedings of the National Academy of Sciences. Su investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Instituto Nacional de Salud.