Ein Team aus Chemikern und Bioingenieuren der Rice University und der University of Houston hat einen bedeutenden Meilenstein in ihrer Arbeit zur Schaffung eines Biomaterials erreicht, mit dem biologisches Gewebe außerhalb des menschlichen Körpers gezüchtet werden kann.
Die Entwicklung eines neuartigen Herstellungsverfahrens zur Herstellung ausgerichteter Nanofaser-Hydrogele könnte neue Möglichkeiten für die Geweberegeneration nach Verletzungen bieten und eine Möglichkeit bieten, therapeutische Arzneimittelkandidaten ohne den Einsatz von Tieren zu testen.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Jeffrey Hartgerink, Professor für Chemie und Bioingenieurwesen, hat Hydrogele auf Peptidbasis entwickelt, die die ausgerichtete Struktur von Muskel- und Nervengewebe nachahmen. Die Ausrichtung ist für die Funktionalität des Gewebes von entscheidender Bedeutung, die Reproduktion im Labor stellt jedoch eine Herausforderung dar, da dabei die einzelnen Zellen ausgerichtet werden müssen.
Seit über zehn Jahren entwickelt das Team Multidomänenpeptide (MDPs), die sich selbst zu Nanofasern zusammenbauen. Diese ähneln den faserigen Proteinen, die natürlicherweise im Körper vorkommen, ähnlich einem Spinnennetz im Nanomaßstab.
In ihrer neuesten Studie veröffentlicht im Tagebuch ACS Nanoentdeckten die Forscher eine neue Methode zur Herstellung ausgerichteter MDP-Nanofaser-„Nudeln“.
Indem sie die Peptide zunächst in Wasser auflösten und sie dann in eine Salzlösung extrudierten, konnten sie ausgerichtete Peptid-Nanofasern erzeugen – wie gedrehte Seilstränge, die kleiner als eine Zelle sind. Indem sie die Konzentration der Ionen oder Salze in der Lösung erhöhten und den Vorgang wiederholten, erreichten sie eine noch bessere Ausrichtung der Nanofasern.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass unsere Methode ausgerichtete Peptid-Nanofasern produzieren kann, die das Zellwachstum effektiv in die gewünschte Richtung lenken“, erklärte Hauptautor Adam Farsheed, der kürzlich seinen Doktortitel erhielt. in Bioingenieurwesen von Rice.
„Dies ist ein entscheidender Schritt zur Schaffung funktioneller biologischer Gewebe für Anwendungen in der regenerativen Medizin.“
Eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie war eine unerwartete Entdeckung: Wenn die Ausrichtung der Peptid-Nanofasern zu stark war, richteten sich die Zellen nicht mehr aus. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Zellen in der Lage sein mussten, an den Peptid-Nanofasern zu „ziehen“, um die Ausrichtung zu erkennen. Wenn die Nanofasern zu steif waren, konnten die Zellen diese Kraft nicht ausüben und konnten sich nicht in der gewünschten Konfiguration anordnen.
„Diese Erkenntnisse über das Zellverhalten könnten umfassendere Auswirkungen auf die Gewebetechnik und das Biomaterialdesign haben“, sagte Hartgerink.
„Das Verständnis, wie Zellen im Nanomaßstab mit diesen Materialien interagieren, könnte zu effektiveren Strategien für den Gewebeaufbau führen.“
Zu den weiteren Co-Autoren der Studie von Rice gehören der Ph.D. der Chemieabteilung. Die Absolventen Tracy Yu und Carson Cole, der Doktorand Joseph Swain und der Bachelor-Forscher Adam Thomas. Jonathan Makhoul, Student im Bioingenieurwesen, Doktorand Eric Garcia Huitron und Professorin K. Jane Grande-Allen waren ebenfalls Co-Autoren der Studie. Zum Forscherteam der University of Houston gehören Ph.D. Student Christian Zevallos-Delgado, wissenschaftlicher Mitarbeiter Sajede Saeidifard, wissenschaftlicher Assistenzprofessor Manmohan Singh und Ingenieurprofessor Kirill Larin.
Mehr Informationen:
Adam C. Farsheed et al., Abstimmbare makroskopische Ausrichtung selbstassemblierender Peptid-Nanofasern, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02030