Timp aproximativ de lectură: 6 minute

Celula este considerată, în general, drept elementul de bază al vieții. Înțelegerea structurii, localizării și funcției acesteia sunt esențiale pentru înțelegerea fenomenelor fiziologice sau biologice precum creșterea, proliferarea, regenerarea, cancerul și moartea.

De la primele observații făcute de Van Leeuwenhoek și Hooke în secolul al XVII-lea, progresele în biologia celulară au devenit strâns legate de cele ale tehnologiei imagisticii. În timp ce în urmă cu 300 de ani microscoapele compuse erau considerate ca fiind de ultimă generație, domeniul imagisticii s-a dezvoltat spectaculos și acum cuprinde o gamă largă de modalități de imagistică, cum ar fi fluorescența, luminescența, spectroscopia Raman, rezonanța magnetică sau imagistica foto-acustică și cu raze X.

Această multitudine de tehnici de imagistică, cu avantajele și limitările lor specifice, au fost utilizate în biologie și medicină pentru a studia fenomenele biologice și fiziologice de la unități celulare singulare la întregul organism.

Evoluțiile moderne din domeniul științelor fizice – în special chimia bioconjugatelor, biofizica lipidelor, știința polimerilor, nanomaterialele, și microfabricarea – au creat noi căi interesante de inginerie a proprietăților suprafeței celulare.

Ingineria celulară poate fi definită ca fiind capacitatea colectivă de a reseta și edita genomul unei celule de mamifere. Capacitatea de a controla proprietățile fizice și biochimice ale suprafeței celulare are implicații semnificative.

Membrana celulară este o structură complexă formată dintr-un dublu strat lipidic semipermeabil, proteine și polizaharide care înconjoară citoplasma celulelor. Aceasta joacă un rol esențial în menținerea integrității celulare prin reglarea circulației materialelor către și din celule.

Membrana celulară este, de asemenea, implicată în medierea multor procese biologice importante, cum ar fi comunicarea celulă-celulă, semnalizarea, adeziunea, migrația și localizarea.

Prin urmare, ingineria membranei celulare oferă un mijloc de a controla aceste funcții celulare esențiale și o capacitate de a utiliza celulele ca suporturi de administrare a medicamentelor, de exemplu.

În acest scop, există o gamă variată de metodologii de bioinginerie dezvoltate pentru a modifica suprafața celulelor, care includ, printre altele, metode enzimatice sau metode chimice.

Aceste strategii pot fi utilizate pentru o varietate de tipuri de celule.

Ingineria moleculară a membranei celulare este un instrument puternic pentru manipularea compoziției suprafeței și pentru controlul interacțiunilor dintre celulă și mediul înconjurător. Deoarece celulele interacționează cu mediul extracelular prin intermediul receptorilor moleculari și al liganzilor prezenți pe membrană, este important să se controleze compoziția moleculară pentru a regla aceste interacțiuni.

Strategiile enzimatice și manipularea genetică a mecanismelor celulare sunt utilizate pe scară largă pentru a atinge acest obiectiv, în special în biologia moleculară.

Conjugarea chimică a moleculelor sau a nanomaterialelor la suprafața celulară ar fi probabil cea mai simplă strategie de remodelare a suprafeței celulare. Această metodă utilizează grupele funcționale preexistente care sunt prezente pe proteinele membranei sau carbohidrații celulari. În plus, moleculele de suprafață celulară existente pot fi transformate enzimatic pentru a încorpora modificarea dorită pentru atașarea încărcăturii. În acest scop, această metodă este utilizată pentru a îmbunătăți găzduirea și grefarea celulelor stem prin încorporarea liganzilor de adeziune, care pot fi absenți, insuficient exprimați și / sau pierduți în timpul expansiunii celulelor in vivo.

Mai mult decât atât, bioinginerii de la Universitatea Rice din SUA au dezvoltat o nouă trusă de construcție pentru realizarea de circuite personalizate de simț și răspuns în celulele umane. Cercetarea, publicată în revista Science, reprezintă o descoperire majoră în domeniul biologiei sintetice care ar putea revoluționa terapiile pentru afecțiuni complexe precum bolile autoimune și cancerul. „Imaginați-vă procesoare minuscule în interiorul celulelor alcătuite din proteine care pot „decide” cum să răspundă la semnale specifice, cum ar fi inflamația, markerii de creștere tumorală sau nivelul zahărului din sânge„, a declarat Xiaoyu Yang, un student absolvent în cadrul programului de doctorat Systems, Synthetic and Physical Biology de la Rice, care este autorul principal al studiului. „Această lucrare ne aduce mult mai aproape de a putea construi „celule inteligente” care pot detecta semne de boală și pot elibera imediat tratamente personalizabile ca răspuns.”

Deși acest lucru poate părea simplu, stabilirea regulilor de construire, conectare și reglare a unităților – inclusiv proiectarea de ieșiri intra și extracelulare – nu a fost deloc ușoară.

În plus, faptul că circuitele sintetice ar putea fi construite și implementate în celule vii nu era un dat: abordarea modulară de tip „fă-o singur” pentru proiectarea circuitelor celulare s-a dovedit capabilă să reproducă o capacitate importantă la nivel de sistem a cascadelor de fosforilare native, și anume amplificarea semnalelor slabe de intrare în rezultate macroscopice. Observațiile experimentale ale acestui efect au verificat predicțiile de modelare cantitativă ale echipei, consolidând valoarea noului cadru ca instrument fundamental pentru biologia sintetică.

Un alt avantaj distinct al noii abordări de proiectare a circuitelor celulare de detectare și răspuns este faptul că fosforilarea (atașarea unui rest fosfatic la o moleculă a unui compus chimic, reacție esențială pentru multe procese celulare) are loc rapid, în doar câteva secunde sau minute, astfel încât noile circuite sintetice de fosfo-semnalizare ar putea fi programate să răspundă la evenimente fiziologice care au loc pe o scară de timp similară. În schimb, multe concepte anterioare de circuite sintetice s-au bazat pe procese moleculare diferite, cum ar fi transcripția, a cărei activare poate dura multe ore.

Cercetătorii au testat, de asemenea, sensibilitatea circuitelor și capacitatea acestora de a răspunde la semnale externe precum factorii inflamatori. Pentru a dovedi potențialul său translațional, echipa a utilizat cadrul pentru a proiecta un circuit celular care poate detecta acești factori și care ar putea fi utilizat pentru a controla erupțiile autoimune și pentru a reduce toxicitatea asociată imunoterapiei.

O altă aplicație a ingineriei celulare este funcționarea unui pancreas bio-artificial, în care celulele sunt modificate genetic pentru a secreta insulină și a răspunde la glucoză. Aceste celule sunt apoi încapsulate astfel încât să fie imunoprotejate atunci când sunt implantate.

Cu toate acestea, nu este suficient ca aceste celule să secrete insulină și să răspundă la glucoză; ele trebuie să secrete insulină la o rată specifică corespunzătoare concentrației de glucoză prezentă în sânge.

Ingineria celulelor ca dispozitive programabile a permis elaborarea unor astfel de strategii terapeutice care nu ar fi putut fi realizate altfel. Astfel de strategii includ recapitularea și îmbunătățirea funcțiilor celulare native și crearea de funcții noi. Aceste funcții noi pot fi compuse folosind atât componente biologice naturale, cât și componente biologice modificate, acestea din urmă fiind exemplificate prin dezvoltarea de sisteme sintetice de receptare și de transducție a semnalelor.

Progresele recente în punerea în aplicare a acestor abordări includ tratamentul cancerului, în care s-au realizat cele mai multe progrese clinice până în prezent, și tratamentul diabetului.

Principiile de inginerie a terapiilor bazate pe celule care sunt sigure și eficiente sunt din ce în ce mai necesare și încep să apară și vor fi esențiale în dezvoltarea acestei noi clase de terapii.

Astfel, ar trebui să ne așteptăm la un viitor interesant în acest domeniu de cercetare interdisciplinar.

Pe măsură ce înțelegerea noastră asupra dezvoltării și îmbătrânirii umane se extinde rapid, vom vedea în mod clar un impact direct asupra dezvoltării de tehnologii aplicabile clinic pentru medicina regenerativă, care încearcă să înlocuiască țesuturile sau organele care au fost deteriorate de vârstă, boli, traume sau probleme congenitale.

Mirela Mustață, Redactor executiv

Surse de documentare:

1. Breakthrough for ‘smart cell’ design | ScienceDaily – Materials provided by Rice University.
2. Cell Engineering – an overview | ScienceDirect Topics
3. NAE Website – The Emergence of Bioengineering
4. Micro- and Nanoengineering of the Cell Surface
5. Encyclopedia of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2019
6. Engineering the Surface of Cells Using Biotin–Avidin Chemistry
7. Concise Review: Human Cell Engineering: Cellular Reprogramming and Genome Editing – PMC
8. Sursa foto 7 Stunning Cell Images From 2017 | Technology Networks