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Los macrófagos cambian de forma a medida que migran dentro de la matriz de colágeno 3D. Las manchas blancas son fibras de colágeno, las verdes son macrófagos y las azules son núcleos celulares.
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Crédito: Laboratorio Zervantonakis
Día tras día, interactuamos con nuestros colegas de oficina para realizar las tareas necesarias para funcionar. Más de 200 tipos diferentes de células de nuestro cuerpo hacen el mismo trabajo, pero la forma en que se comunican entre sí no es tan sencilla como enviar un correo electrónico.
Investigadores como Ioannis Zervantonakis todavía están intentando comprender cómo se comunican estas células entre sí. Un profesor asistente de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh recibió recientemente el Premio de Investigación Maximizing Investigators del Instituto Nacional de Ciencias Médicas y su proyecto «Comunicación macrófago-fibroblasto en la migración celular y remodelación de la matriz extracelular» recibirá más de 1,95 millones de dólares. en el fondo total para los próximos cinco años.
El Laboratorio de Ingeniería de Microambientes de Zervantonakis combina microfluidos, modelado de biología de sistemas y experimentos in vivo para investigar el papel de microambientes complejos en el crecimiento celular, la migración y la respuesta a la salud y la enfermedad. Normalmente su investigación se centra en el cáncer, pero este proyecto se centra específicamente en la relación entre dos tipos de células: macrófagos y fibroblastos.
«Esto es excelente para comprender los procesos fundamentales mediante los cuales interactúan estos dos tipos de células», dijo Zervantonaki. «Juntos dan a los tejidos la capacidad de sanar, crecer y adaptarse a un entorno en constante cambio».
Los fibroblastos son células que crean y mantienen una amplia gama de tejidos conectivos para respaldar una amplia gama de funciones orgánicas esenciales, como la resistencia a lesiones cortantes y la curación de la piel. Los macrófagos son glóbulos blancos que ayudan a eliminar sustancias nocivas al engullir material extraño e iniciar una respuesta inmune. Ambas células ayudan a regular la homeostasis o el equilibrio de los tejidos en el cuerpo.
Uno de los objetivos es descubrir cómo responden estas células a la hipoxia o falta de oxígeno en un entorno tridimensional complejo. A diferencia de investigaciones anteriores en este campo, este proyecto implica el desarrollo de tecnología innovadora en ingeniería de dispositivos de microfluidos para controlar con precisión el flujo de oxígeno y utiliza biosensores celulares para estudiar cómo los fibroblastos y macrófagos responden a los cambios de la matriz extracelular en tejidos intactos.
«Con modelos computacionales y dispositivos de microfluidos, podemos comenzar a descubrir qué es lo más importante en las interacciones entre células: dónde es más importante el oxígeno. ¿Son importantes las fuerzas mecánicas generadas por las células en la matriz extracelular?» Dijo Zervantonakis. «Si tenemos fibroblastos y macrófagos sobreactivados, ¿a qué proteínas podemos apuntar para reducir su activación de modo que podamos reducir la inflamación y la cicatrización de los tejidos?».
Los hallazgos de esta investigación tienen varias implicaciones importantes. Una de las principales cuestiones en esta área es comprender cómo tratar los diferentes tipos de enfermedades pulmonares.
«La comunicación entre los macrófagos y los fibroblastos puede estar desregulada en la hipertensión pulmonar crónica o la fibrosis pulmonar», dijo Zervantonakis. «Los niveles de oxígeno cambian cuando nuestros pulmones son fibróticos, por lo que comprender cómo el oxígeno afecta a ambos tipos de células podría ayudarnos a encontrar nuevos medicamentos para combatir estas enfermedades».
Las proteínas que estudiará el equipo de Zervantonakis (tetraspaninas y receptores de adhesión a la matriz celular) también pueden regular la comunicación macrófagos-fibroblastos en el cáncer y enfermedades autoinmunes y afectar la regeneración de tejidos.
«Debido a que los macrófagos y los fibroblastos son importantes para el crecimiento de los tejidos, la manipulación de proteínas que controlan el comportamiento mecánico de los fibroblastos o la motilidad de los macrófagos podría usarse para promover la regeneración o comprender los defectos de crecimiento».
Según Ruxuan Li, candidato a doctorado en bioingeniería que trabaja en el laboratorio, un aspecto único del proyecto es el uso de modelos 3D in vitro, una especialidad de laboratorio que permite un modelado más eficiente y menos costoso que los modelos de investigación con animales.
«Utilizamos una variedad de sistemas de cultivo in vitro 3D, incluidos chips de microfluidos, micropocillos y sistemas de cocultivo de hidrogel 3D, para estudiar el comportamiento celular en nuestro laboratorio», dijo Li. «A diferencia de los modelos animales y los modelos de cultivo de tejidos 2D, los modelos 3D in vitro pueden imitar la estructura 3D y el microambiente de los tejidos humanos».
Gran parte de los datos preliminares para esta propuesta fueron respaldados por el trabajo de Li y el académico postdoctoral Youngbin Cho, quienes comentaron sobre la importancia de los modelos 3D.
«Planeamos mejorar nuestra plataforma 3D in vitro para capturar con precisión las complejas interacciones entre macrófagos y fibroblastos en la matriz extracelular», dijo Cho. «Utilizando nuestro sistema de imágenes de microscopio confocal de alta resolución y dispositivos de microfluidos, observamos interacciones entre células en tiempo real y la remodelación de la matriz estructural impulsada por las células».
Durante los próximos cinco años, el objetivo de MIRA de Zervantonakis es aumentar la eficiencia de la financiación del NIGMS proporcionando mayor estabilidad y flexibilidad a los investigadores, aumentando así la productividad científica y la probabilidad de grandes avances.
«Se trata de preguntas y mecanismos básicos: básicamente estamos estudiando la desregulación de los mecanismos de comunicación entre células que puede tener consecuencias en muchas enfermedades», dijo Zervantonakis.
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