Сверхструктуры " ходячих’ молекул могут помочь в создании нейронов для регенеративной медицины

Реферат: новый 3D-печатный биоматериал способен имитировать свойства живой мозговой ткани. Новый материал может быть использован для улучшения методов лечения регенеративной медициной.

Источник: Северо-Западный Университет

Представьте себе, что хирурги могли бы пересадить здоровые нейроны пациентам с нейродегенеративными заболеваниями или травмами головного и спинного мозга. И представьте себе, что они могли бы “вырастить” эти нейроны в лаборатории из собственных клеток пациента, используя синтетический, высоко биологически активный материал, пригодный для 3D-печати.

Открыв новый печатный биоматериал, который может имитировать свойства мозговой ткани, исследователи Северо-Западного университета теперь ближе к разработке платформы, способной лечить эти состояния с помощью регенеративной медицины.

Ключевым компонентом этого открытия является способность контролировать процессы самосборки молекул внутри материала, что позволяет исследователям изменять структуру и функции систем от наноразмерного до видимого масштаба. Лаборатория Сэмюэля И. Ступпа опубликовала в журнале Science в 2018 году статью, в которой показала, что материалы могут быть сконструированы с помощью высокодинамичных молекул, запрограммированных мигрировать на большие расстояния и самоорганизовываться, образуя более крупные “сверхструктурированные” пучки нановолокон.

Теперь исследовательская группа, возглавляемая Stupp, продемонстрировала, что эти надстройки могут усиливать рост нейронов, что может иметь важное значение для стратегий трансплантации клеток при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, а также при травмах спинного мозга.

“Это первый пример, когда 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 Северо-Западного института Симпсона Куэрри. “Мы также можем использовать конструкции нового биоматериала, чтобы помочь обнаружить методы лечения и понять патологии.”

Пионер супрамолекулярной самосборки, Ступп также является профессором Совета попечителей по материаловедению и инженерии, химии, медицине и биомедицинской инженерии и имеет назначения в Вайнбергском колледже искусств и наук, Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе 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 взаимодействие ключ-замок между белками, а также в результате концентрации этих взаимодействий в микронных областях через длительную миграцию “ходячих молекул".”

Подвижные молекулы покрывают расстояние в тысячи раз большее, чем они сами, чтобы объединиться в большие надстройки. На микроскопическом уровне эта миграция вызывает трансформацию структуры от того, что выглядит как сырой кусок лапши рамэн в веревочные пучки.

“Типичные биоматериалы, используемые в медицине, такие как полимерные гидрогели, не обладают способностью позволять молекулам самостоятельно собираться и перемещаться внутри этих сборок”,-сказал Тристан Клемонс, научный сотрудник лаборатории Stupp и соавтор статьи с Александрой Эдельброк, бывшей аспиранткой группы. - Этот феномен уникален для систем, которые мы здесь разработали.”

Кроме того, по мере того как 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 затвердевать в любую макроскопическую форму, потому что взаимодействия восстанавливаются спонтанно путем самосборки. Это также позволяет выполнять 3D - печать структур с различными слоями, которые содержат различные типы нейронных клеток, чтобы изучить их взаимодействие.

Сигнальный рост нейронов

Сверхструктура и биоактивные свойства материала могут иметь огромное значение для регенерации тканей. Нейроны стимулируются белком в центральной нервной системе, известным как нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), который помогает нейронам выживать, стимулируя синаптические связи и позволяя нейронам быть более пластичными. BDNF может быть ценной терапией для пациентов с нейродегенеративными заболеваниями и травмами спинного мозга, но эти белки быстро деградируют в организме и являются дорогостоящими для производства.

Одна из молекул в новом материале интегрирует имитатор этого белка, который активирует его рецептор, известный как Trkb, и команда обнаружила, что нейроны активно проникают в большие поры и заполняют новый биоматериал, когда присутствует миметический сигнал. Это также может создать среду, в которой нейроны, дифференцированные от стволовых клеток пациента, созревают до трансплантации.

Конфокальное изображение расслоения надстройки. Кредит: Stupp Lab / Северо-Западный Университет

Теперь, когда команда применила доказательство концепции к нейронам, Stupp считает, что теперь он может проникнуть в другие области регенеративной медицины, применив различные химические последовательности к материалу. Простые химические изменения в биоматериалах позволили бы им подавать сигналы для широкого круга тканей.

“Хрящевую и сердечную ткани очень трудно регенерировать после травм или сердечных приступов, и платформа может быть использована для подготовки этих тканей in vitro из клеток, полученных пациентом”,-сказал Ступп. - Затем эти ткани могут быть пересажены, чтобы помочь восстановить утраченные функции. Помимо этих вмешательств, материалы могут быть использованы для создания органоидов для открытия методов лечения или даже непосредственно имплантированы в ткани для регенерации, поскольку они являются биоразлагаемыми.

Эта работа была поддержана центром регенеративной наномедицины Северо-Западного института Симпсона Куэрри, аспирантскими исследовательскими стипендиями через Национальный научный фонд и стипендией американской австралийской ассоциации.

Источник: neurosciencenews.com

Комментарии: