Rekombinante und abstimmbare Spidroin-Hydrogele für die Wirkstofffreisetzung und Zellkultur

In einer neuen Studie zeigen Forscher des Karolinska Institutet, dass rekombinante Spinnenseidenprotein-Hydrogele viele attraktive Eigenschaften aufweisen. Sie ermöglichen die Einkapselung von Zellen und bioaktiven Molekülen einfach durch Inkubation bei 37 °C. Sie sind transparent, was die Überwachung eingekapselter Zellen ermöglicht, und das fibrilläre Netzwerk ahmt das der extrazellulären Matrix nach. Die mechanischen Eigenschaften dieser Hydrogele entsprechen denen verschiedener Gewebe und die Gele können zur kontinuierlichen Wirkstofffreisetzung verwendet werden.

Künstliche Spinnenseide ist ein vielversprechendes Biomaterial, wenn sie aus Proteinen heterologer Wirte hergestellt wird. Forscher der Abteilung für Biowissenschaften und Ernährung am Karolinska Institutet haben zuvor eine biomimetische Methode zur Herstellung von Spinnenseide entwickelt, die die Herstellung künstlicher Spinnenseidenproteine ​​und -fasern ohne den Einsatz aggressiver organischer Lösungsmittel ermöglicht.

Möglich wurde dies durch die Entwicklung eines kleinen Spinnenseidenproteins (Spidroin). Ein großer Vorteil dieses Mini-Spidroins besteht darin, dass es in großen Mengen produziert werden kann (14,5 g gereinigtes Protein pro Liter Kultur in Bioreaktoren) und in einem halbautomatischen Prozess gereinigt werden kann.

Kürzlich entdeckte das Team, dass rekombinante Mini-Spidroine innerhalb von Minuten Hydrogele bilden, wenn sie bei 37 °C, also ohne Verwendung von Vernetzern, inkubiert werden. Der Temperatur- und Zeitbereich für die Gelbildung ist mit den meisten bioaktiven Wirkstoffen und lebenden Zellen kompatibel, und die Gele bestehen aus einem fibrillären Netzwerk in Nanogröße, was Möglichkeiten für die Entwicklung eines neuartigen Hydrogelsystems für Zellkultur und Gewebezüchtung eröffnet.

Abstimmbar für verschiedene Gewebe

Das zeigen die Forscherinnen Tina Arndt und Urmimala Chatterjee in ihrer neuen Studie, veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialien dass menschliche fötale mesenchymale Stammzellen in diese Hydrogele eingekapselt werden können, wonach sie eine hohe Überlebens- und Lebensfähigkeit zeigen. Interessanterweise können die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele durch Änderung der Proteinkonzentration angepasst werden, um sie an die verschiedener Gewebe, z. B. Muskeln und Knorpel, anzupassen.

Darüber hinaus bilden Mischungen aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen und grün fluoreszierendem Protein (GFP) Gele, aus denen nach und nach funktionelles GFP freigesetzt wird, was darauf hindeutet, dass bioaktive Moleküle, die leicht in die Gele aufgenommen werden können, ihre Aktivität beibehalten und durch das Gel diffundieren können. Dies bedeutet, dass die Hydrogele potenzielle Anwendungen bei der Arzneimittelabgabe haben.

Ebenso sind eingekapselte ARPE-19-Zellen lebensfähig und produzieren kontinuierlich den Wachstumsfaktor Progranulin, der aus den Zellen freigesetzt wird, dann durch das Hydrogel diffundiert und über den Untersuchungszeitraum von 31 Tagen im Zellkulturmedium nachgewiesen wird.