Materiales utilizados en el atrapamiento de células madre.

Los parámetros físicos más críticos de los materiales utilizados en el de atrapamiento de células madre se obtienen en pruebas de tensión-deformación. Estas pruebas han establecido estándares que se pueden encontrar en los sitios web de la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM). Las curvas de tensión-deformación obtenidas de estos ensayos relacionan la fuerza normalizada por unidad de área (tensión) aplicada al material con el desplazamiento relativo resultante del material (deformación). Uno de los parámetros más importantes obtenidos en tales pruebas es el módulo de Young (E, en fuerza por unidad de área), que es la pendiente en la región elástica de la curva tensión-deformación y es una medida de la rigidez del material, que se sabe que afecta la señalización intracelular principalmente a través de los receptores de integrina y las quinasas de adhesión focal asociadas. Recientemente, Engler et al. han demostrado que la rigidez de la matriz puede dirigir la diferenciación del atrapamiento de células madre mesenquimales humanas (hMSC) a destinos celulares neuronales, miogénicos y osteogénicos, dependiendo de si el sustrato de poliacrilamida tiene una rigidez menor o mayor. Por lo tanto, el módulo de Young es una propiedad mecánica crítica de los materiales utilizados para cultivar células madre.

Estos materiales pueden clasificarse en materiales sintéticos o naturales, y ambos grupos pueden subdividirse en materiales sintéticos basados en polímeros, péptidos y cerámica, y proteínas, polisacáridos y materiales naturales complejos. El uso de materiales sintéticos posee una ventaja sobre los materiales naturales: un mayor grado de control durante el proceso de fabricación que puede simplificar el control de calidad (QC) y los procesos de aprobación regulatoria en el caso de aplicaciones terapéuticas, ya que la composición de los materiales sintéticos es bien definido. Sin embargo, si los materiales naturales son abundantes y el proceso de extracción / preparación / esterilización / eliminación de endotoxinas es simple, la economía del proceso puede ser más favorable en comparación con sus contrapartes sintéticas. Además, los materiales naturales complejos como Matrigel tienen muchas proteínas de matriz extracelular (ECM) y factores de crecimiento incrustados que proporcionan un microambiente muy favorable para el cultivo de células madre. Independientemente de su origen, el uso de materiales en el cultivo de células madre tiene como objetivo principal aumentar la similitud entre el cultivo y los entornos in vivo.

Los polímeros sintéticos ofrecen la posibilidad de controlar la composición, las propiedades químicas y físicas, así como la tasa de degradación del material. El polietilenglicol (PEG) está aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA) para su uso como excipiente y conjugado de fármaco, siendo el ejemplo más notable el conjugado de PEG-interferón-𝛼, que aumenta la solubilidad y vida media de la proteína en el cuerpo humano. Los monómeros de diacrilato de PEG sin modificar se polimerizan típicamente mediante irradiación ultravioleta (UV), formando un polímero que tiene baja adhesión celular y baja unión a proteínas, y está completamente hidratado en solución acuosa. La introducción de modificaciones químicas covalentes antes de la reacción de polimerización puede agregar funcionalidades adicionales como la adhesión celular. Por ejemplo, la reticulación del motivo peptídico de unión a integrina Arg-Gly-Asp (RGD) en hidrogeles de PEG aumenta la propagación celular (adhesión) sobre el polímero y la adición de grupos químicos funcionales también se puede utilizar para dirigir la diferenciación de hMSC . La degradación de los hidrogeles de PEG también se puede ajustar reticulando el polímero con enlazadores peptídicos escindibles como lo muestran Anderson et al. quienes demostraron que los hidrogeles de PEG con una tasa de degradación aumentada también aumentan la eficiencia de la diferenciación de hMSC en linajes osteogénicos, condrogénicos y adipogénicos.

El polímero sintético poli (ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) es un copolímero de los monómeros del ácido glicólico y láctico y, similar al PEG, puede funcionalizarse y su velocidad de degradación puede modificarse químicamente. Se utiliza ampliamente en aplicaciones clínicas como material biodegradable aprobado por la FDA de EE. UU. ejemplos de tales aplicaciones son suturas quirúrgicas (Vicryl®, Johnson y Johnson), injertos y dispositivos protésicos. Los nuevos copolímeros resultantes se sembraron con hMSC y se estudió su interacción célula-polímero. Recientemente, Huang et al. han sintetizado perlas porosas de PLGA, que apoyan el crecimiento de células madre del líquido amniótico humano (hAFSC); estas perlas permitieron que las células crecieran tridimensionalmente sin limitaciones de nutrientes y depositaran componentes de ECM como colágeno III y fibronectina. Estas perlas que contenían hAFSC se inyectaron en ratas que habían sufrido un infarto de miocardio, y estos animales mostraron mejoras significativas en la función cardíaca en comparación con los que recibieron células disociadas sin las perlas.

Ha habido un desarrollo significativo en materiales de atrapamiento de células madre en biorreactores hechos de politetrafluoroetileno (PTFE), que es un material comúnmente utilizado en la industria de dispositivos médicos. La aplicación más notable de PTFE al cultivo de células madre atrapadas son las macrocápsulas en combinación con células productoras de insulina derivadas de células madre embrionarias humanas (hESC).