Publicado 14/09/2021 07:53CET

Los científicos exploran la creación de orgánulos artificiales como reservas de energía en los tejidos dañados

Archivo - Probetas de laboratorio
Archivo - Probetas de laboratorio - CSIC - Archivo

MADRID, 14 Sep. (EUROPA PRESS) -

Los científicos están explorando la creación de orgánulos artificiales generados a partir de la fusión de exosomas, que pueden funcionar como reservas de energía en los tejidos dañados, según publican investigadores de Corea del Sur en el artículo de portada de la revista 'Nature Catalysis'.

El cuerpo humano está formado por numerosos tipos diferentes de células, que tienen pequeños compartimentos conocidos como orgánulos para realizar complejas reacciones bioquímicas. Estos compartimentos tienen múltiples enzimas que trabajan juntas para ejecutar importantes funciones celulares.

Los investigadores del Centro de Materia Suave y Viva del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), en Corea del Sur, han logrado imitar estos compartimentos nanoespaciales para crear mitocondrias artificiales en la última investigación publicada en como artículo de portada. Afirman que la tecnología puede utilizarse para construir orgánulos artificiales capaces de suministrar ATP u otras moléculas útiles a las células de tejidos dañados o enfermos.

Esto se logró mediante la reprogramación de los "exosomas", que son pequeñas vesículas (de un diámetro de unos 120 nm) que las células utilizan para la señalización intercelular. Los investigadores llevaron a cabo los experimentos utilizando reactores microfluídicos de gotas, que generaron pequeñas gotas de tamaño similar al de las células típicas (diámetro de en torno 10 micrómetros). Se propusieron primero facilitar la fusión controlada de estos exosomas dentro de las gotitas, evitando al mismo tiempo las fusiones no deseadas.

Para ello, adaptaron las superficies de los exosomas con unas moléculas denominadas catecol, que es un agente quelante que forma complejos con los iones metálicos. A su vez, esto se hizo uniendo el catecol a anticuerpos dirigidos a marcadores celulares específicos, como el CD9.

La propiedad de formar complejos del catecol les permite impulsar fusiones entre exosomas cuando se mezclan con iones metálicos como el Fe3+. La fusión de membranas se produce cuando los catecoles de las superficies se unen al hierro y acercan las vesículas entre sí.

Los investigadores probaron por primera vez la eficacia de este sistema cargando un tipo de exosomas con calceína-Co2+ y otro con EDTA. Cuando las dos vesículas se fusionan y su contenido se mezcla, el EDTA arrebata el Co2+ a la calceína, lo que permite que esta última sea fluorescente. El equipo se dio cuenta de que había tenido éxito al detectar la señal de fluorescencia, y la fusión se confirmó además por la duplicación del diámetro del exosoma medido.

A continuación, estos exosomas personalizados se precargaron con diferentes reactivos y enzimas, lo que los convirtió en nanofábricas biomiméticas. Esto les permite producir biomoléculas de alto valor realizando las transformaciones biocatalíticas deseadas de forma espacialmente confinada, lo que no es posible utilizando los tubos de ensayo convencionales de laboratorio.

El equipo demostró esta función de cascada biocatalítica multienzimática encapsulando la glucosa oxidasa (GOx) y la peroxidasa de rábano picante (HRP) dentro de los exosomas. La GOx convierte primero la glucosa en ácido glucónico y peróxido de hidrógeno.

La HRP, a su vez, utiliza el peróxido de hidrógeno generado en la primera reacción para oxidar el rojo Amplex y convertirlo en un producto fluorescente, la resorufina. Los investigadores pudieron incluso dar un paso más añadiendo a la mezcla una tercera enzima, la galactosidasa, que convierte la lactosa en glucosa.

A continuación, los investigadores querían saber con exactitud hasta qué punto estos mini reactores podían ser captados e internalizados por las células. Las células derivadas de tejidos mamarios humanos fueron alimentadas con nanorreactores de exosomas fusionados, y se observó su internalización durante las siguientes 48 horas utilizando varios marcadores y un microscopio confocal de barrido láser (CLSM).

Se descubrió que las células eran capaces de captar estos exosomas personalizados principalmente a través de la endocitosis, junto con otros múltiples mecanismos. Además, probaron el mencionado sistema de dos enzimas GOx-HRP en las células, y se descubrió que los exosomas fusionados eran capaces de fabricar con éxito productos fluorescentes incluso estando dentro de las células.

Con estos conocimientos, el equipo trató de crear mitocondrias artificiales funcionales capaces de producir energía en el interior de las células. Para ello, se reconstituyeron la ATP sintasa y la bo3 oxidasa en los exosomas anteriores que contenían GOx y HRP, respectivamente. A su vez, estos exosomas se fusionaron para crear nanorreactores capaces de producir ATP utilizando glucosa y ditiotreitol (DTT).

Se comprobó que los exosomas fusionados eran capaces de penetrar profundamente en la parte central de un tejido esferoide sólido y producir ATP en su entorno hipóxico. Las actividades de estos orgánulos simples iban acompañadas de una marcada reducción de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). En cambio, las enzimas libres fueron incapaces de penetrar en el interior de estos esferoides de células fuertemente empaquetadas.

"En conjunto, nuestros resultados ponen de manifiesto el potencial de estos exosomas como nanorreactores para regular la actividad metabólica de las células en el interior de los esferoides y para atenuar el daño celular debido a la hipoxia --señala CHO Yoon-Kyoung, autor correspondiente del estudio--. Se espera que las nuevas investigaciones sobre estos orgánulos artificiales presenten un nuevo paradigma en diversos campos como el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades, la biotecnología, la medicina y el medio ambiente".

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