Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Para muchos niños que enfrentan cánceres potencialmente mortales, los mismos tratamientos que salvan sus vidas pueden robarles su fertilidad futura. La quimioterapia y la radiación a menudo dañan los ovarios, los órganos que producen óvulos y hormonas esenciales. En adultos, los médicos a veces pueden congelar y almacenar tejido ovárico para un uso posterior, pero este enfoque es peligroso para los niños. Sus ovarios contienen óvulos inmaduros que no pueden congelarse individualmente, y reimplantar su propio tejido conlleva el riesgo de reintroducir células cancerosas si la enfermedad se había propagado allí. Para resolver esto, los científicos están trabajando en un tipo diferente de solución: un ovario bioprotésico. Este es un órgano artificial construido a partir de un andamio, una estructura diminuta y porosa diseñada para albergar sacos de óvulos aislados, llamados folículos, y ayudar a que crezcan y maduren fuera del cuerpo hasta que estén listos para su uso. El objetivo es reemplazar el tejido dañado con este sistema de soporte diseñado, permitiendo que el cuerpo produzca hormonas y eventualmente libere óvulos sanos.

El desafío radica en encontrar el material adecuado para construir este andamio. El folículo es una estructura delicada y tridimensional que debe mantenerse segura y, al mismo tiempo, permitir su expansión a medida que crece. Debe interactar con las células de soporte circundantes y recibir nutrientes, de la misma manera que una planta necesita el suelo adecuado para echar raíces y florecer. Anteriormente, los investigadores han utilizado un material llamado gelatina, que deriva del colágeno, porque imita el entorno natural del cuerpo y ayuda a las células a adherirse a él. Más recientemente, también han observado un material sintético, ultra poroso, llamado poli(láctico-co-glicólico) ultra esponjoso, o UF-PLG. Este material es increíblemente ligero y puede absorber muchas veces su propio peso en líquido, ofreciendo un tipo de estructura diferente. La pregunta era si uno de estos materiales era claramente superior, o si ofrecían diferentes fortalezas que podrían necesitar combinarse.

Un equipo de investigadores se propuso comparar estos materiales directamente. Utilizaron una impresora 3D para crear diminutos andamios a partir de tres sustancias diferentes: gelatina pura, UF-PLG puro y una versión híbrida donde el UF-PLG estaba recubierto con gelatina. Imprimieron estos andamios con un patrón geométrico específico, que consistía en cinco capas de puntales dispuestos en un ángulo de sesenta grados entre sí, creando esquinas que podían acunar físicamente los folículos esféricos. Luego tomaron folículos secundarios, que son pequeños sacos de huevos aproximadamente del tamaño de un grano de arena, de los ovarios de ratones jóvenes. Cada folículo se colocó sobre uno de los tres tipos de andamios y se dejó crecer en un líquido rico en nutrientes durante dos, cuatro o seis días. Los científicos examinaron los folículos bajo microscopios potentes para ver qué tan bien permanecían adheridos, si mantenían su forma y cuánto crecía el huevo en su interior.

Los resultados revelaron una clara división en el rendimiento. Los andamios hechos de gelatina pura eran excelentes para mantener los folículos seguros y protegidos. Casi todos los folículos colocados en estos andamios permanecieron adheridos, y mantuvieron su integridad estructural, lo que significa que las capas protectoras alrededor del huevo no se rompieron. La gelatina también fomentó que las células de soporte circundantes migraran al andamio y se envolvieran alrededor del folículo, creando una unidad fuerte e integrada. En contraste, los folículos en los andamios de puro UF-PLG tuvieron un desempeño deficiente. La mayoría de ellos se desprendieron de la estructura por completo, y aquellos que se quedaron a menudo se rompieron, perdiendo su capa protectora. Los andamios híbridos, que combinaban los dos materiales, mostraron un punto medio para la adhesión, pero ofrecieron una ventaja sorprendente para el crecimiento.

Si bien los andamios de gelatina fueron los mejores para mantener los folículos en su lugar, no fueron los mejores para ayudar al huevo en su interior a alcanzar su tamaño completo. Los investigadores midieron el diámetro de los huevos para ver si alcanzaban un tamaño que indica que están listos para ser fertilizados, un parámetro conocido como competencia de desarrollo. En ratones, un huevo necesita alcanzar un diámetro de aproximadamente 70 a 72 micrómetros para ser considerado competente. Los huevos en los andamios de gelatina crecieron, pero permanecieron más pequeños que este objetivo. Sin embargo, los huevos en los andamios híbridos de UF-PLG-gelatina crecieron más, alcanzando un diámetro promedio de 75.6 micrómetros. Esto sugiere que, si bien la gelatina fue mejor para evitar que el folículo se desarmara, el material híbrido proporcionó un entorno que permitió al huevo expandirse más libremente.

Los investigadores también probaron si hacer los andamios más rígidos cambiaría el resultado. Aumentaron la cantidad de reticulación química, que actúa como un pegamento para endurecer el material, y descubrieron que esto sí hizo que los andamios de gelatina fueran significativamente más rígidos. Sin embargo, este cambio en la rigidez no alteró drásticamente qué tan bien se adherían los folículos o cuánto crecían los huevos. Las diferencias entre los materiales en sí fueron mucho más importantes que las diferencias en su dureza. Este hallazgo sugiere que la naturaleza química del material, más que solo su dureza física, es el principal motor de cómo se comporta el folículo.

Estos hallazgos apuntan a una nueva forma de pensar en la construcción de órganos artificiales. Durante mucho tiempo, los científicos esperaban encontrar un solo material que pudiera hacerlo todo perfectamente: sostener el tejido de forma segura y ayudarlo a madurar. Este estudio sugiere que tal material de "talla única" puede no existir. En cambio, las necesidades de un folículo para la estabilidad son diferentes de sus necesidades para el crecimiento. La gelatina proporcionó la estabilidad necesaria para mantener la estructura intacta, mientras que el componente de UF-PLG parecía ofrecer el espacio o las señales necesarias para que el huevo alcanzara su pleno potencial. Esto implica que los ovarios bioprotésicos más efectivos del futuro pueden necesitar estar construidos con múltiples materiales, cuidadosamente dispuestos para proporcionar un hogar seguro para el folículo y, simultáneamente, ofrecer un entorno permisivo para que el huevo madure. Al comprender que las diferentes etapas del desarrollo requieren diferentes entornos físicos, los científicos pueden acercarse a la creación de una solución confiable para restaurar la fertilidad a quienes la han perdido debido al cáncer.