Ingenieurforscher entwickeln poröse Nanopartikel für die regenerative Medizin

Stammzellen können sich zu vielen verschiedenen Arten von Zellen im Körper entwickeln. Wenn beispielsweise eine Person verletzt wird, kommen Stammzellen an die Stelle der Verletzung und helfen bei der Heilung beschädigter Gewebe. Eine neue Nanotechnologie, die von einem Forscherteam der Texas A&M University entwickelt wurde, könnte das regenerative Potenzial des Körpers nutzen, indem Stammzellen dazu gebracht werden, Knochengewebe zu bilden.

Akhilesh K. Gaharwar, außerordentlicher Professor und Presidential Impact Fellow am Department of Biomedical Engineering und Fellow des American Institute for Medical and Biological Engineering, leitet das Team. Die Forscher haben wasserstabile 2D-Nanopartikel mit kovalentem organischem Gerüst (COF) entwickelt, die die Differenzierung menschlicher mesenchymaler Stammzellen in Knochenzellen lenken können.

2D-COFs – porösen organischen Polymeren – wurde aufgrund ihrer Kristallinität, geordneten und einstellbaren porösen Struktur und hohen spezifischen Oberfläche große Aufmerksamkeit in der Forschung geschenkt. Allerdings hat die Schwierigkeit, COFs zu nanoskaligen Materialien zu verarbeiten – zusammen mit ihrer geringen Stabilität – ihre Anwendung in der regenerativen Medizin und der Arzneimittelabgabe eingeschränkt. Es besteht ein Bedarf an neuen Ansätzen, die diesen COFs eine ausreichende physiologische Stabilität verleihen und gleichzeitig ihre Biokompatibilität beibehalten.

Gaharwars Team hat die hydrolytische (Wasser-) Stabilität von COFs verbessert, indem es sie mit amphiphilen Polymeren integriert hat, bei denen es sich um Makromoleküle handelt, die sowohl hydrophobe als auch hydrophile Komponenten enthalten. Dieser bisher nicht beschriebene Ansatz verleiht COFs Wasserdispergierbarkeit und ermöglicht so die biomedizinische Anwendung dieser Nanopartikel.

„Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Bericht, der die Fähigkeit von COFs demonstriert, Stammzellen auf Knochengewebe zu lenken“, sagte Gaharwar. „Diese neue Technologie hat das Potenzial, die Behandlung der Knochenregeneration zu beeinflussen.“

Die Forscher fanden heraus, dass 2D-COFs die Lebensfähigkeit und Proliferation einer Zelle selbst bei höheren Konzentrationen nicht beeinträchtigen. Sie beobachteten, dass diese 2D-COFs Bioaktivität aufweisen und Stammzellen zu Knochenzellen lenken. Die vorläufige Studie zeigte, dass die Form und Größe dieser Nanopartikel diese Bioaktivität verleihen können, und zusätzliche eingehende Studien müssen für mechanistische Erkenntnisse durchgeführt werden.

Diese Nanopartikel sind hochporös, und Gaharwars Team hat sich diese einzigartige Eigenschaft für die Arzneimittelabgabe zunutze gemacht. Sie waren in der Lage, ein osteoinduzierendes Medikament namens Dexamethason in die poröse Struktur des COF zu laden, um die Knochenbildung weiter zu verbessern.

„Diese Nanopartikel könnten die Abgabe von Medikamenten an menschliche mesenchymale Stammzellen verlängern, die üblicherweise zur Knochenregeneration verwendet werden“, sagte Sukanya Bhunia, Seniorautorin der Studie und Postdoc-Mitarbeiterin in der Abteilung für Biomedizintechnik. „Die anhaltende Abgabe des Medikaments führte zu einer verbesserten Differenzierung der Stammzellen in Richtung der Knochenlinie, und diese Technik kann zur Knochenregeneration verwendet werden.“

Gaharwar merkte an, dass der nächste Schritt der Forschung des Teams, nachdem es einen Proof-of-Concept erbracht habe, darin bestehen werde, diese Nanotechnologie in einem kranken Modell zu evaluieren.

Diese Ergebnisse sind wichtig für das zukünftige Design von Biomaterialien, die Richtungen für die Geweberegeneration und Anwendungen zur Arzneimittelabgabe vorgeben können.

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen Tagebuch. Weitere Forschungsmitarbeiter sind Manish Jaiswal, Kanwar Abhay Singh und Kaivalya Deo von der Abteilung für Biomedizintechnik bei Texas A&M.