imagen: Lesley Chow, profesor asistente de bioingeniería y Ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Lehigh recibió un premio del Programa de desarrollo de Carrera Temprana (CAREER) de la Facultad de la NSF. El premio apoya su trabajo… ver más
crédito: Ryan Hulvat para la Universidad de Lehigh
Si eres capaz de caminar sin dolor, dale un grito silencioso a tu cartílago.,
cada vez que das un paso, este tejido flexible absorbe la carga y la transfiere al hueso, permitiéndote moverte libremente. Pero a diferencia del hueso, si el cartílago se daña injury por lesión, desgaste o inflamación it no puede regenerarse. Con el tiempo, el tejido dañado se degrada y caminar se vuelve progresivamente más doloroso a medida que los huesos entran en contacto entre sí.,
«eventualmente, desarrollarás osteoartritis, que es la forma más común de artritis y afecta a aproximadamente 31 millones de estadounidenses», dice Lesley Chow, profesora asistente de bioingeniería y Ciencia e ingeniería de materiales en el P. C. Rossin College of Engineering and Applied Science de la Universidad de Lehigh. «Y si bien hay algunas intervenciones quirúrgicas, eventualmente llegas a un punto en el que tienes tanto dolor y tienes una pérdida de movilidad tal que necesitas un reemplazo total de rodilla.,»
Las intervenciones efectivas aún no existen porque el cartílago es tan difícil de reproducir sintéticamente. Cualquier tejido nuevo que se forme no tiene las mismas propiedades que el cartílago nativo y no se integra bien con el hueso subyacente que se supone que debe proteger. Pero si se pudiera desarrollar un biomaterial que dirigiera con éxito la regeneración de todo el tejido osteocondral («osteo» para hueso, «condral» para cartílago), las lesiones del cartílago podrían tratarse antes y la degeneración podría ralentizarse o detenerse por completo.,
«si podemos intervenir cuando tenga esa lesión por primera vez, esta terapia tendría el potencial de comprarle 10 años o más, o tal vez nunca necesitaría un reemplazo de rodilla», dice Chow. «Ese es el sueño.»
para Chow, es un sueño que se acercó un paso más a la realidad cuando recibió un premio del Programa de desarrollo de Carrera Temprana de la Facultad (CAREER) de la Fundación Nacional de Ciencias. El premio apoya el trabajo que ella y su equipo están haciendo para desarrollar un biomaterial que promueva la regeneración de la compleja interfaz del tejido osteocondral., Específicamente, refinando su material impreso en 3D para proporcionar las señales exactas a las células que permiten la formación de tejido organizado de la misma manera que el tejido natural.
Las becas de carrera se consideran uno de los reconocimientos más prestigiosos que otorga la NSF. Se otorgan anualmente en apoyo de los miembros de la Facultad junior a través de los EE.UU. que ejemplifican el papel de los profesores-académicos a través de la investigación excepcional, excelente educación, y la integración de la educación y la investigación. Cada premio proporciona un apoyo estable de aproximadamente 500.000 dólares durante un período de cinco años.,
» sabemos que tenemos células dentro de nuestro cuerpo que son capaces de regenerar estos tejidos, pero ¿qué pasa si no les damos las señales correctas?»dice Chow. «Pensamos mucho en las señales químicas y físicas que ofrecemos a las células. Lo que nos gustaría poder hacer, por ejemplo, es cambiar la química de nuestro biomaterial mientras conservamos la misma propiedad mecánica. Esto es muy difícil de hacer porque estas propiedades están intrínsecamente vinculadas entre sí. Mi laboratorio ha desarrollado una plataforma donde podemos cambiar estas señales independientemente unas de otras.,»
el esfuerzo para regenerar el tejido osteocondral a través de biomateriales no es nuevo. Hay innumerables maneras en que los investigadores lo han hecho, dice Chow. Pero no está claro exactamente cómo funcionan los materiales, por lo que las reglas de diseño bien definidas son esquivas. Por ejemplo, los investigadores no pueden decir qué propiedad mecánica específica o porosidad se requiere, o qué señal bioquímica se debe entregar para lograr una respuesta celular específica. Chow quiere establecer un conjunto de criterios de diseño para eliminar las conjeturas.
los andamios impresos en 3D del equipo ya han dado resultados prometedores., Antes de la impresión, sintetizan péptidos segments segmentos cortos de proteínas to para promover la formación de hueso o cartílago. Unen estos péptidos a polímeros biodegradables y agregan los conjugados de péptido-polímero resultantes a una concentración deseada durante la impresión 3D para fabricar un material funcionalizado con péptidos.
«ES como una impresora a color», dice Chow. «Digamos que primero quieres imprimir tu andamio promotor del hueso y luego quieres hacer la transición a tu cartílago promotor. Sólo tienes que cambiar los cabezales de la impresora. Es como cambiar de color., Así que dentro de la misma impresión, terminas con un biomaterial que tiene péptidos promotores de hueso y cartílago en un andamio continuo.»
los polímeros con los que Chow está trabajando también pueden tener diferentes pesos moleculares, lo que significa que pueden ser cadenas cortas o largas. El uso de diferentes pesos moleculares les permite presentar la misma química (porque las cadenas cortas y largas están hechas del mismo polímero) pero exhiben diferentes propiedades mecánicas (la cadena más larga dará como resultado un material más rígido).,
«mi hipótesis sería que un material más rígido impulsaría a las células para producir hueso y un material más suave impulsaría a las células para producir cartílago», dice Chow. «Las células pueden sentir su entorno y responden a diferentes rigideces de diferentes maneras. Así que lo que estamos tratando de hacer es hacer materiales donde podamos controlar independientemente estas propiedades para averiguar cómo las células responden a estos subconjuntos de materiales., Así que cambie la química pero no cambie las propiedades mecánicas o la arquitectura, cambie la arquitectura pero no cambie las propiedades mecánicas, o cambie las propiedades mecánicas pero no cambie nada más.»
el premio ayudará a Chow y a su equipo a comprender mejor cómo responden las células a su plataforma para que puedan afinarla. Su trabajo se centra en hacer el «material óptimo» que provoca una respuesta que produce tejido óseo y cartílago., El objetivo final, sin embargo, es doble: un implante biodegradable que podría insertarse después de una lesión para evitar o retrasar la degeneración tisular futura y el dolor debilitante, y una comprensión fundamental que se puede traducir a otros tipos de células, como las células de la piel, para mejores tratamientos para personas como las víctimas de quemaduras.
«queremos que esto sea un trampolín para aquellos interesados en otros sistemas de tejidos», dice Chow, quien está afiliado al Instituto de materiales y dispositivos funcionales de Lehigh (I-FMD)., «Personas que quieren entender mejor las propiedades que necesitan desarrollar en sus propios materiales para regenerar otros tejidos de interés.»
acerca de Lesley W. Chow
Lesley W. Chow se unió a Lehigh después de su formación postdoctoral en el Imperial College de Londres y doctorado en la Universidad Northwestern. Sus intereses de investigación se centran en el diseño de nuevos biomateriales para aplicaciones de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa., Basándose en su experiencia previa con el diseño supramolecular y la fabricación de biomateriales, el Chow Lab combina diferentes materiales y técnicas de fabricación avanzadas para generar andamios con arquitecturas y funcionalidad organizada espacialmente que se asemejan a los tejidos biológicos nativos. Chow está particularmente interesado en utilizar la impresión 3D y los enfoques de autoensamblaje para organizar polímeros sintéticos, biopolímeros naturales y péptidos en estructuras y composiciones jerárquicas., Estos andamios sirven como plataformas para profundizar la comprensión sobre cómo la organización de tejidos nativos afecta la función celular y tisular a través de escalas de longitud y mejorar la traducción clínica de biomateriales.
El Laboratorio de Chow se centra actualmente en enfoques para mejorar la regeneración de las interfaces del tejido musculoesquelético, como la interfaz osteocondral entre el hueso y el cartílago., La recreación de estas interfaces complejas plantea un desafío de ingeniería significativo, ya que los tejidos nativos poseen gradientes en propiedades bioquímicas, estructurales y mecánicas que son críticas para la función biomecánica normal. Su equipo está desarrollando estrategias basadas en biomateriales para guiar el comportamiento de las células espaciales y la formación de tejidos para diseñar tejidos que imiten estas relaciones estructura-función-propiedad.,
enlaces relacionados:
- Rossin College Faculty Profile: Lesley Chow
- NSF Award resumen: carrera: desarrollo de biomateriales organizados espacialmente para diseñar Interfaces de tejidos complejos
- The Chow Lab
- Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD)