Regulación del destino de las células madre en matrices de micropocillos de hidrogel diseñadas por bioingeniería

Los músculos esqueléticos proporcionan las fuerzas contráctiles necesarias para permitir la locomoción y la respiración. El músculo esquelético sano puede recuperarse de lesiones menores mediante un proceso de regeneración que involucra células madre del músculo esquelético. Sin embargo, existen varias condiciones patológicas (p. ej., miopatías, sarcopenia relacionada con el envejecimiento) en las que el músculo esquelético no puede regenerarse lo suficiente y, en última instancia, se atrofia. Actualmente no existe ninguna terapia celular disponible para aliviar estos trastornos. Nuestro objetivo es desarrollar entornos de cultivo innovadores e investigar los mecanismos que podrían permitir la expansión in vitro de células madre musculares envejecidas o enfermas. En el primer y segundo objetivo, hemos desarrollado un nuevo material de soporte artificial de rigidez ajustable que permite la preservación de la viabilidad de las células madre musculares in vitro (Objetivo 1) y, lo que es más importante, permite el mantenimiento del potencial de las células madre musculares como se observa después del trasplante in vivo. de las células madre musculares cultivadas (objetivo 2). Hemos demostrado que la rigidez del material de soporte sobre el que se expanden las células es fundamental para mantener su potencial de trasplante. Observamos que las superficies de cultivo rígidas estándar afectan negativamente la viabilidad de las células madre musculares y son desfavorables para preservar la función de las células madre musculares. Hemos notado que un material de cultivo suave y muy elástico puede mejorar drásticamente la supervivencia de las células madre musculares. Hemos analizado los genes expresados ​​por las células madre musculares aisladas de músculos esqueléticos de ratones jóvenes y viejos, ya que razonamos que el escaso potencial de células madre de las células madre más viejas podría deberse a la falta de genes clave de células madre. Aquí mostramos que los patrones de expresión genética difieren entre las células madre musculares jóvenes y envejecidas, y que la identificación de estos genes expresados ​​diferencialmente podría ayudarnos a investigar su potencial para rejuvenecer las células envejecidas. Observamos que las células madre musculares envejecidas sembradas en cultivo y observadas mediante videos de lapso de tiempo tienen comportamientos disminuidos in vitro. Nuestro objetivo es explotar este comportamiento alterado para probar nuestros diez reguladores seleccionados para expandir y rejuvenecer las células madre musculares envejecidas. En el tercer objetivo, hemos desarrollado un método para aislar células madre musculares a partir de muestras humanas. Hasta hace poco, ha habido una falta de información sobre la caracterización del músculo del tallo humano a partir del tejido esquelético. Mediante citometría de flujo hemos conseguido identificar una familia de moléculas de la superficie celular que permite el enriquecimiento de las células de una población muy heterogénea. Estas células son altamente miogénicas, lo que significa que in vitro proliferan y generan fibras musculares, y ahora estamos en el proceso de probar su comportamiento en cultivo en la plataforma artificial descrita anteriormente. Paralelamente, estamos analizando los genes expresados ​​por estas células aisladas de pacientes jóvenes o ancianos y buscamos comparar estos análisis con los datos de ratón que hemos adquirido.

Nos complace informar que hemos podido abordar todos los objetivos específicos de la subvención financiada por CIRM. Este progreso contribuye en gran medida a permitir terapias que contribuirán a una calidad de vida sustancialmente mejorada. El envejecimiento de la población está aumentando en los países industrializados y las patologías musculares relacionadas con la edad se están volviendo cada vez más comunes, lo que genera costos médicos crecientes y debilidad muscular altamente debilitante. Es bien sabido que en los adultos jóvenes, el músculo esquelético tiene una notable capacidad para curarse a sí mismo y esta capacidad se debe únicamente al robusto potencial proliferativo y diferenciador de las células madre musculares. Lo que se necesita es un medio para aprovechar el potencial de las células madre mediante la búsqueda de formas de aumentar el número de células madre y su función en cultivos celulares para su uso en terapias basadas en células. Esta subvención CIRM nos ha permitido lograr avances que de otro modo no habrían sido posibles dada la actual crisis de financiación de los NIH. Estamos sumamente agradecidos. Gracias a esta subvención hemos logrado caracterizar las diferencias funcionales entre las células madre musculares jóvenes y viejas. Es importante destacar que hemos definido las condiciones de cultivo que permiten el mantenimiento, la autorrenovación y la expansión de las células madre musculares por primera vez. (Objetivos 1 y 2). Finalmente, hemos aplicado con éxito nuestro conocimiento sobre células madre de músculos de ratones adultos a sus homólogos humanos. Hemos identificado marcadores para el aislamiento prospectivo de células madre de músculo humano y condiciones de crecimiento que permiten su propagación en cultivo para terapias celulares (Aim3). Nuestros hallazgos han sido bien recibidos con una publicación fundamental en Science este año e invitaciones para hablar en simposios y universidades de todo el mundo. Además, nuestro trabajo apareció en el Wall Street Journal y en la portada del New York Times en 2010. Otro avance importante en nuestro laboratorio, que no formó parte de esta subvención, fue el desarrollo del primer modelo de ratón que imita al humano. enfermedad genética de desgaste muscular, distrofia muscular de Duchenne, que se publicó en Cell en 2010. Nuestro trabajo futuro se centrará en probar terapias basadas en células madre musculares desarrolladas durante esta subvención en este modelo de enfermedad muscular. Los hallazgos tendrán relevancia no sólo para la DMD, sino también, de manera más general, para la sarcopenia y la profunda atrofia muscular que acompaña al envejecimiento.