3 preguntas: Anna Jagielska sobre la impresión de axones artificiales | Noticias del MIT

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Decenas de millones de personas en todo el mundo padecen enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, la esclerosis múltiple y la enfermedad de Lou Gehrig, pero no existe un tratamiento eficaz para estas enfermedades.

La investigadora Anna Jagielska del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT cree que reparar los axones que rodean la mielina es esencial 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 estimulan la reparación de la mielina.

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

A: La falta actual de un modelo predictivo de enfermedades y de 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 dinero a las compañías farmacéuticas en 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 a través del sistema nervioso para que podamos mover nuestras extremidades, ver y respirar. Cuando se daña la capa de mielina alrededor de los axones, se produce un proceso llamado desmielinización, la conducción nerviosa se ralentiza o se pierde y los axones pueden morir. Esto puede afectar las funciones motoras y cognitivas y provocar pérdida de la visión y discapacidad permanente. En muchas de estas enfermedades, el cuerpo no regenera suficiente mielina por sí solo. Sin embargo, si un fármaco pudiera estimular al cuerpo a generar nuevas vainas de mielina, un proceso conocido como remielinización, 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 la eficacia con la que diferentes fármacos estimulan el crecimiento de la mielina.

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

A: Los axones artificiales satisfacen una necesidad insatisfecha y brindan las herramientas adecuadas para comenzar a tratar 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 gradual de la función del sistema nervioso.

Es en las primeras etapas del desarrollo de estos fármacos cuando esta tecnología puede resultar más útil. Los axones artificiales imitan las células cerebrales conformadas 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 axones artificiales, de la misma manera que lo harían. en el cerebro.

Nuestra plataforma tiene muchas ventajas sobre las herramientas actuales. Los tradicionales platos de cultivo de tejidos planos de plástico duro y rígido proporcionan un entorno inadecuado para las células neurales, lo que puede alterar las respuestas celulares a los fármacos en relación con la forma en que reaccionarían las células en el cuerpo. Además, no es posible estudiar la mielinización en estos platos planos, ya que este proceso requiere la presencia de estructuras tridimensionales de tipo axonal. Los axones artificiales, por otro lado, imitan la baja rigidez mecánica de los axones reales, que es seis órdenes de magnitud menos rígida que los platos de plástico, así como las propiedades geométricas de los axones, hasta órdenes de micrómetros. Los axones artificiales también son independientes de los fármacos, lo que significa que permiten probar una variedad de compuestos en ellos. La plataforma es altamente configurable. Los axones artificiales pueden imprimirse con diferentes formas, diámetros, densidades, propiedades mecánicas y ligandos de superficie para modelar enfermedades específicas.

Nuestro formato es compatible con las configuraciones farmacéuticas para la detección de drogas. Hemos mejorado el rendimiento de fabricación para producir muestras con alta reproducibilidad en poco tiempo, una placa de 96 pocillos en minutos.

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

A: Nuestro grupo en el laboratorio de Van Vliet para la quimiomecánica de materiales tiene una experiencia diversa. Contamos con personas con experiencia tanto en biología celular como en desarrollo de materiales. También estamos desarrollando herramientas para estudiar y caracterizar las células y su entorno tisular, con el fin de comprender cómo este entorno determina el comportamiento de las células sanas y enfermas. 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 y curable por UV. Este material permitió la creación de fibras autoportantes muy finas con una rigidez extremadamente baja, similar a los verdaderos axones. Para desarrollar tecnología de fabricación confiable para nuestra plataforma, la estudiante de posgrado Daniela Espinosa-Hoyos PhD & # 39; 20 y yo nos unimos al grupo del profesor Nicholas Fang del 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 capaz de producir de forma reproducible estas complejas estructuras a escala micrométrica. Este trabajo se basó en una colaboración anterior con el grupo de la profesora de la Universidad de Harvard, Jennifer Lewis, utilizando la impresión de inyección de tinta directa de fibras de hidrogel soportadas.

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