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Cientistas do Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) desenvolveram uma biotinta de nanoengenharia com recursos aprimorados de ligação e reticulação para bioimpressão 3D de modelos tumorais. Um componente chave desta biotinta é a Laponite, nanopartículas cristalinas altamente carregadas, em forma de disco. Conforme explicado em seu artigo recente em Biofabricação, essas nanopartículas demonstraram melhorar a sinalização biológica que ocorre no microambiente do tumor, de modo que modelos de tumor mais precisos possam ser criados para estudo e desenvolvimento de drogas antitumorais.
Os microambientes tumorais são complexos, com uma matriz de tecido conjuntivo de suporte contendo vários componentes celulares, como células tumorais, células imunes, células específicas de órgãos e fibroblastos associados ao câncer produtores de colágeno. Além disso, há extensa interação física célula a célula e sinalização interativa por meio de uma variedade de fatores biológicos que são difíceis de modelar de maneira precisa e representativa.
O uso da bioimpressão 3D oferece uma abordagem versátil para criar em vitro modelos de tumor onde estruturas de tecido 3D precisas podem ser criadas. Para criar um modelo in vitro, os impressores usam uma solução de biomaterial carregada de células denominada biotinta feita sob medida para os tecidos pretendidos. As biotintas deste estudo eram compostas de células cancerígenas e normais do microambiente do tumor, que foram incorporadas em um gel biocompatível, normalmente um tipo de polímero. Esta mistura celular/gel deve ser formulada de forma ideal para exibir propriedades mecânicas e biofuncionais que recapitulem com precisão o microambiente do tumor.
Para alcançar essas propriedades, a equipe do TIBI escolheu a gelatina metaciloíla (GelMA) como base polimérica para sua biotinta, um material biocompatível com propriedades ajustáveis para estabilidade estrutural e porosidade, com sítios de ligação propícios à adesão e sobrevivência celular. A adição de Laponite ao GelMA não apenas criou uma rede reforçada dentro da biotinta, mas também melhorou a capacidade de impressão ao conferir propriedades de desbaste por cisalhamento – a capacidade de deformar sob estresse e, em seguida, auto-recuperar-se rapidamente. Ao usar concentrações mais altas de GelMA e Laponite, a equipe foi capaz de criar biotintas com propriedades de diluição de cisalhamento significativamente melhoradas.
Nos testes iniciais de seu novo compósito como um biomaterial para a fabricação de um modelo de tumor, os cientistas fizeram diferentes formulações de GelMA/Laponite e as usaram para encapsular células humanas de câncer pancreático. As formulações que deram a viabilidade celular ideal foram identificadas e usadas na criação de modelos de tumores multicelulares bioimpressos em 3D.
Esses modelos multicelulares foram feitos pela adição de fibroblastos, células que são essenciais para a progressão do tumor de câncer pancreático, à biotinta de célula GelMA/Laponite/pancreática. Os testes desses modelos mostraram que as células tinham boa viabilidade, principalmente com concentrações mais altas de Laponita. Além disso, concentrações mais altas de Laponita também foram observadas para aumentar o tamanho e a distribuição de coagregações dos dois tipos de células; isso descreve mais completamente a estrutura do tumor pancreático nativo e sua promoção de interações célula a célula.
A equipe passou a estudar os efeitos do Laponite na expressão gênica de vários biomarcadores que são promotores ou indicadores da progressão do tumor no câncer pancreático. Eles descobriram que o aumento das concentrações de Laponita aumentou a produção de fatores de crescimento de células tumorais, bem como genes de remodelação e diferenciação celular, em 10 a 20 vezes.
O efeito do Laponite na expressão gênica foi ainda mais pronunciado nos fibroblastos, com regulação positiva geral de seus pools gênicos, especialmente para genes relacionados a fatores de crescimento, que aumentaram até 60 vezes. Como os fibroblastos desempenham um papel importante na progressão do tumor pancreático por meio da sinalização por esses fatores de crescimento, esta é uma demonstração significativa da influência da Laponita.
A sinalização melhorada entre células cancerígenas e fibroblastos por fatores biológicos liberados também aumentou a expressão de genes relacionados ao ciclo celular – especificamente, genes que indicam uma diminuição na proliferação de células cancerígenas. A diminuição da proliferação das células cancerígenas é conhecida como dormência do câncer, que é um dos fatores que afetam a resistência à quimioterapia e a recorrência do câncer após o tratamento.
“Nosso estudo dos efeitos da Laponita em modelos de tumores impressos em 3D mostrou que a Laponita não apenas melhora as características mecânicas do modelo, mas também pode influenciar seletivamente a sinalização biológica que faz parte da progressão do tumor”, disse Ali Khademhosseini, Ph.D., Diretor e CEO da TIBI. “Isso nos dá a versatilidade para recriar modelos de tumores mais precisos de diferentes tipos, de modo que os alvos de drogas terapêuticas eficazes possam ser identificados”.
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