Un nou biomaterial imprimat 3D care este capabil să imite proprietățile țesutului cerebral viu ar putea fi folosit pentru a spori terapiile de medicină regenerativă

feb. 24, 2021 | Cercetare, Stiri

Imaginați-vă dacă medicii chirurgi ar putea transplanta neuroni sănătoși pacienților care trăiesc cu boli neurodegenerative sau leziuni ale creierului și a măduvei spinării. Și imaginați-vă dacă ar putea „crește” acești neuroni în laborator din propriile celule ale pacientului folosind un material sintetic, foarte bioactiv, care este potrivit pentru imprimarea 3D.

Prin descoperirea unui nou biomaterial imprimabil care poate imita proprietățile țesutului cerebral, cercetătorii Universității din Northwestern sunt acum mai aproape de dezvoltarea unei platforme capabile să trateze aceste afecțiuni folosind medicina regenerativă.

Un ingredient cheie pentru descoperire este abilitatea de a controla procesele de auto-asamblare a moleculelor din material, permițând cercetătorilor să modifice structura și funcțiile sistemelor de la nanoscală la scara caracteristicilor vizibile. Laboratorul lui Samuel I. Stupp a publicat o lucrare din 2018 în revista Science, care a arătat că materialele pot fi proiectate cu molecule foarte dinamice programate să migreze pe distanțe lungi și să se autoorganizeze pentru a forma pachete mai mari, „suprastructurate” de nanofibre.

O echipă de cercetare condus de Samuel Stupp a demonstrat că aceste suprastructuri pot spori creșterea neuronilor, o constatare importantă care ar putea avea implicații pentru strategiile de transplant de celule pentru bolile neurodegenerative precum Parkinson și boala Alzheime, dar și pentru leziunile măduvei spinării.

„Acesta este primul exemplu în care am reușit să luăm fenomenul de remaniere moleculară pe care l-am raportat în 2018 și să-l valorificăm pentru o aplicație în medicina regenerativă. Putem folosi, de asemenea, construcții ale noului biomaterial pentru a ajuta la descoperirea terapiilor și înțelegerea patologiilor.”

Samuel Stupp, autorul principal al studiului și directorul Institutului Simpson Querrey din Northwestern.

Noul material este creat prin amestecarea a două lichide care devin rapid rigide ca urmare a interacțiunilor cunoscute în chimie drept complexe gazdă-oaspete care imită interacțiunile cheie-blocare între proteine ​​și, de asemenea, ca rezultat al concentrației acestor interacțiuni la scară micronică regiuni printr-o migrație pe scară lungă a „moleculelor ambulante”.

„Biomaterialele tipice utilizate în medicină, cum ar fi hidrogelurile polimerice, nu au capacitatea de a permite moleculelor să se auto-asambleze și să se deplaseze în cadrul acestor ansambluri. Acest fenomen este unic pentru sistemele pe care le-am dezvoltat aici.” a declarat Tristan Clemons, asociat în cercetare.

Mai mult, pe măsură ce moleculele dinamice se mișcă pentru a forma suprastructuri, se deschid pori mari care permit celulelor să pătrundă și să interacționeze cu semnale bioactive care pot fi integrate în biomateriale.

Interesant este că forțele mecanice ale imprimării 3D perturbă interacțiunile gazdă-oaspete din suprastructuri și determină fluxul materialului, dar se poate solidifica rapid în orice formă macroscopică, deoarece interacțiunile sunt restabilite spontan prin auto-asamblare. Acest lucru permite, de asemenea, imprimarea 3D a structurilor cu straturi distincte care adăpostesc diferite tipuri de celule neuronale pentru a studia interacțiunile lor.

Suprastructura și proprietățile bioactive ale materialului ar putea avea implicații imense asupra regenerării țesuturilor. Neuronii sunt stimulați de o proteină din sistemul nervos central cunoscut sub numele de factor neurotrofic derivat din creier (BDNF), care ajută neuronii să supraviețuiască prin promovarea conexiunilor sinaptice și permițând neuronilor să fie mai plastici. BDNF ar putea fi o terapie valoroasă pentru pacienții cu boli neurodegenerative și leziuni ale măduvei spinării, dar aceste proteine se degradează rapid în organism și sunt scumpe de produs.

Una dintre moleculele din noul material integrează un mimic al acestei proteine care activează receptorul său cunoscut sub numele de Trkb, iar echipa a descoperit că neuronii pătrund în mod activ în porii mari și populează noul biomaterial atunci când este prezent semnalul mimetic. Acest lucru ar putea crea, de asemenea, un mediu în care neuronii diferențiați de celulele stem derivate de pacienți se maturizează înainte de transplant.

Acum că echipa de cercetare a aplicat o dovadă a conceptului asupra neuronilor, Stupp consideră că pe viitor ar putea intra în alte domenii ale medicinei regenerative prin aplicarea diferitelor secvențe chimice  ale materialului. Schimbările chimice simple în biomateriale le-ar permite să furnizeze semnale pentru o gamă largă de țesuturi.

 

Sursă material neurosciencenews.com.