Los investigadores diseñan un nuevo cultivo de hidrogel en 3D para estudiar la infección y el tratamiento de la tuberculosis

Investigadores del Departamento de Bioingeniería BE del Instituto Indio de Ciencias IISc han diseñado un novedoso sistema de cultivo de hidrogel en 3D que imita el entorno pulmonar de los mamíferos. Proporciona una poderosa plataforma para rastrear y estudiar cómo las bacterias de la tuberculosis infectan las células pulmonares y probar la eficacia de las terapias utilizadas para tratar la tuberculosis.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) es un patógeno peligroso. En 2022 afectó a 10,6 millones de personas y provocó 1,3 millones de muertes, según la OMS.

“Es un error muy antiguo y ha evolucionado bastante con nosotros”, afirma Rachit Agarwal, profesor asociado de BE y autor correspondiente del estudio publicado en Materiales sanitarios avanzados. El MTB infecta principalmente los pulmones.

Los modelos de cultivo actuales utilizados para estudiar la infección por Mtb tienen varias limitaciones. Por lo general, son placas de cultivo que tienen una sola capa y no imitan con precisión el microambiente 3D dentro de los pulmones. El microambiente que experimentan las células en dicho cultivo 2D es muy diferente de la matriz extracelular (MEC) real que las rodea. Tejido pulmonar.

“En una placa de cultivo de tejidos, no hay moléculas de ECM, e incluso si estas placas están recubiertas con una capa muy delgada de ECM, las células pulmonares 'ven' la ECM en el mejor de los casos”, explica Vishal Gupta, Ph.D. . Estudiante de BE y primer autor.

Las placas de cultivo 2D también son extremadamente duras en comparación con los tejidos pulmonares blandos. “Estás ante una piedra frente a una almohada”, explica Agarwal.

Él y su equipo han diseñado un novedoso modelo 3D. hidrogel cultivo hecho de colágeno, una molécula clave presente en la MEC de las células pulmonares. El colágeno es soluble en agua a un pH ligeramente ácido. A medida que aumenta el pH, el colágeno forma fibrillas que se entrecruzan para formar una estructura tridimensional similar a un gel.

En el momento de la gelificación, los investigadores agregaron macrófagos humanos.células inmunes involucrado en la lucha contra las infecciones, junto con Mtb. Esto atrapó tanto a los macrófagos como a las bacterias en el colágeno y permitió a los investigadores rastrear cómo las bacterias infectan a los macrófagos.

El equipo siguió cómo progresaba la infección durante dos o tres semanas. Lo sorprendente fue que las células de mamíferos permanecieron viables durante tres semanas en el hidrogel; los cultivos actuales sólo pueden sostenerlas durante cuatro a siete días. “Esto lo hace más atractivo porque la Mtb es un patógeno que crece muy lentamente dentro del cuerpo”, dice Agarwal.

A continuación, los investigadores llevaron a cabo la secuenciación del ARN del células pulmonares que crecieron en el hidrogel y descubrieron que eran más similares a muestras humanas reales, en comparación con las de los sistemas de cultivo tradicionales.

El equipo también probó el efecto de la pirazinamida, uno de los cuatro medicamentos más comunes administrados a los pacientes con tuberculosis. Descubrieron que incluso una pequeña cantidad (10 µg/ml) del fármaco era bastante eficaz para eliminar Mtb en el cultivo de hidrogel. Anteriormente, los científicos han tenido que utilizar grandes dosis del fármaco (mucho más altas en comparación con las concentraciones alcanzadas en los pacientes) para demostrar que es eficaz en cultivos de tejidos.

“Nadie ha demostrado que este fármaco funcione en dosis clínicamente relevantes en ningún sistema de cultivo… Nuestra configuración refuerza el hecho de que el hidrogel 3D imita mejor la infección”, explica Agarwal.

Agarwal añade que ya han presentado una patente india para su cultura 3D, que las industrias pueden ampliar y utilizar para pruebas y descubrimiento de fármacos. “La idea era mantenerlo bastante simple para que otros investigadores pudieran replicarlo”, añade.

En el futuro, los investigadores planean imitar granulomas: grupos de infectados. células blancas de la sangre—en su cultivo de hidrogel 3D para explorar por qué algunas personas tienen tuberculosis latente, mientras que otras muestran síntomas agresivos.

Gupta dice que el equipo también está interesado en comprender el mecanismo de acción de la pirazinamida, lo que puede ayudar a descubrir nuevos fármacos que sean más o igual de eficaces.