Max Home IndustryПредставьте, если бы хирурги могли пересадить здоровые нейроны пациентам, страдающим нейродегенеративными заболеваниями или травмами головного и спинного мозга. И представьте, если бы они могли «вырастить» эти нейроны в лаборатории из собственных клеток пациента, используя синтетический высокобиоактивный материал, подходящий для 3D-печати.
Обнаружив новый пригодный для печати биоматериал, который может имитировать свойства ткани мозга, исследователи Северо-Западного университета теперь приблизились к разработке платформы, способной лечить эти состояния с помощью регенеративной медицины.
Ключевым ингредиентом открытия является способность контролировать процессы самосборки молекул в материале, что позволяет исследователям изменять структуру и функции систем от наномасштаба до масштаба видимых элементов. Лаборатория Сэмюэля И. Ступпа опубликовала статью 2018 года в журнале Science , в которой было показано, что материалы могут быть сконструированы с использованием высокодинамичных молекул, запрограммированных на миграцию на большие расстояния и самоорганизацию с образованием более крупных, «надстроек» пучки нановолокон.
Исследовательская группа под руководством Ступпа продемонстрировала, что эти надстройки могут усиливать рост нейронов, что является важным открытием, которое может иметь значение для стратегий трансплантации клеток при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, а также при повреждении спинного мозга.
/ p>
«Это первый пример, в котором мы смогли взять феномен молекулярной перетасовки, о котором мы сообщали в 2018 году, и использовать его для применения в регенеративной медицине», — сказал Ступп, ведущий автор исследования и директор Институт Симпсона Куэрри на Северо-Западе. «Мы также можем использовать конструкции из нового биоматериала, чтобы помочь найти методы лечения и понять патологии».
Пионер супрамолекулярной самосборки, Ступп также является профессором в попечительском совете материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии, а также имеет должности в Колледже искусств и наук Вайнберга, Инженерной школе Маккормика и Школа медицины Файнберга.
Статья была опубликована сегодня (22 февраля) в журнале Advanced Science .
Ходячие молекулы и 3D-печать
Новый материал создается путем смешивания двух жидкостей, которые быстро становятся жесткими в результате взаимодействий, известных в химии как комплексы «хозяин-гость», которые имитируют взаимодействия белков с ключом и замком, а также в результате концентрации этих взаимодействий в микронные области за счет масштабной миграции «ходячих молекул».
Гибкие молекулы преодолевают расстояние, в тысячи раз превышающее их самих, чтобы объединиться в большие надстройки. В микроскопическом масштабе эта миграция вызывает преобразование структуры из того, что выглядит как сырой кусок лапши рамэн, в пучки, похожие на веревки.
«Типичные биоматериалы, используемые в медицине, такие как полимерные гидрогели, не позволяют молекулам самостоятельно собираться и перемещаться внутри этих сборок», — сказал Тристан Клемонс, научный сотрудник лаборатории Ступпа и соавтор книги статья с Александрой Эдельброк, бывшей аспиранткой группы. «Это явление уникально для систем, которые мы здесь разработали».
Кроме того, когда динамические молекулы движутся, образуя надстройки, открываются большие поры, которые позволяют клеткам проникать и взаимодействовать с биоактивными сигналами, которые могут быть интегрированы в биоматериалы.
Интересно, что механические силы 3D-печати нарушают взаимодействие хозяина и гостя в надстройках и заставляют материал течь, но он может быстро затвердеть в любую макроскопическую форму, потому что взаимодействия восстанавливаются самопроизвольно за счет самосборки. Это также дает возможность 3D-печати структур с отдельными слоями, в которых находятся разные типы нервных клеток, с целью изучения их взаимодействия.
Сигнальный рост нейронов
Надстройка и биоактивные свойства материала могут иметь огромное значение для регенерации тканей. Нейроны стимулируются белком центральной нервной системы, известным как нейротрофический фактор мозга (BDNF), который помогает нейронам выжить, способствуя синаптическим связям и позволяя нейронам быть более пластичными. BDNF может быть ценным средством лечения пациентов с нейродегенеративными заболеваниями и травмами спинного мозга, но эти белки быстро разлагаются в организме и дороги в производстве.
Одна из молекул в новом материале объединяет имитатор этого белка, который активирует его рецептор, известный как Trkb, и команда обнаружила, что нейроны активно проникают в большие поры и заселяют новый биоматериал, когда присутствует миметический сигнал. Это также может создать среду, в которой нейроны, дифференцированные от стволовых клеток, полученных от пациентов, созревают перед трансплантацией.
Теперь, когда команда применила доказательство концепции к нейронам, Ступп считает, что теперь он может проникнуть в другие области регенеративной медицины, применив к материалу различные химические последовательности. Простые химические изменения в биоматериалах позволят им передавать сигналы широкому спектру тканей.
«Хрящевые и сердечные ткани очень трудно регенерировать после травм или сердечных приступов, и платформу можно использовать для подготовки этих тканей in vitro из клеток, полученных от пациентов», — сказал Ступп. «Эти ткани затем можно было бы трансплантировать, чтобы помочь восстановить утраченные функции. Помимо этих вмешательств, материалы можно было бы использовать для создания органоидов, чтобы найти методы лечения или даже непосредственно имплантировать в ткани для регенерации, поскольку они являются биоразлагаемыми».
Работа была поддержана Центром регенеративной наномедицины Северо-Западного института Симпсона Кверри, стипендиями для аспирантов через Национальный научный фонд и стипендией Американско-австралийской ассоциации.