Comment les superpuissances des créatures marines inspirent des biomatériaux intelligents pour la santé humaine

Des découvertes majeures sur le fonctionnement interne de la capacité d’une étoile fragile à contrôler de manière réversible la souplesse de ses tissus aideront les chercheurs à résoudre l’énigme du tissu collagène mutable (MCT) et potentiellement à inspirer de nouveaux biomatériaux « intelligents » pour des applications en santé humaine.

Les travaux sont dirigés par Denis Jacob Machado, professeur adjoint de bioinformatique au Centre d’intelligence informatique pour prédire les risques sanitaires et environnementaux de l’Université de Caroline du Nord à Charlotte (CIPHER), et Vladimir Mashanov, scientifique au Wake Forest Institute for Regenerative Medicine.

Dans « Dévoilement de modulateurs putatifs du tissu collagène mutable chez l’étoile fragile Ophiomastix wendtii : une analyse RNA-Seq », publié récemment dans Génomique BMCles chercheurs décrivent l’utilisation avancée de la microscopie électronique à transmission (TEM), du séquençage de l’ARN et d’autres méthodes bioinformatiques pour identifier 16 gènes modulateurs potentiels du MCT. Cette recherche constitue une avancée majeure dans la compréhension précise de la manière dont les échinodermes transforment rapidement et radicalement leur tissu collagène. La première auteure de l’article, Reyhaneh Nouri, est titulaire d’un doctorat. étudiant au Département de bioinformatique et de génomique de l’UNC Charlotte.

« Nous découvrons les instructions précises que l’ADN envoie à la cellule : ce qu’il dit, quand il le dit et en quelles quantités. Considérez l’ADN comme le capitaine d’un navire, donnant des ordres pour naviguer et fonctionner en douceur. L’ARN est l’équipage, recevant avec diligence ces ordres et les exécutant pour garantir que la mission du navire soit accomplie. Nous examinons ce que fait l’équipage et apprenons de son travail acharné », a expliqué Jacob Machado.

Cette recherche avancée pour identifier les processus moléculaires pertinents chez un échinoderme pourrait éventuellement ouvrir de nouvelles portes pour les thérapies régénératives chez l’homme.

Les échinodermes, comme les ophiures (un cousin des étoiles de mer et des dollars des sables) et les concombres de mer, possèdent des capacités remarquables à adapter leurs tissus corporels en réponse aux facteurs de stress et aux conditions changeantes rapidement, notamment en détachant des parties importantes de leur corps pour échapper à la prédation ou à d’autres situations dangereuses. . Certaines espèces d’étoiles fragiles sont particulièrement adaptées pour fournir aux chercheurs un cas de test viable pour isoler les gènes modulateurs MCT, qui sont les instructions moléculaires spécifiques déterminant les modifications tissulaires émergentes.

Les nouvelles découvertes visent à façonner le développement futur de biomatériaux intelligents et dynamiques à base de collagène pour traiter les problèmes de santé humaine, par exemple en aidant à cicatriser plus rapidement les plaies ou en fournissant des matériaux alternatifs pour la régénération des tissus qui ne déclenchent pas de rejet immunitaire.

Jacob Machado et ses collègues de l’UNC Charlotte ont déjà déposé un brevet provisoire sur les éléments constitutifs de ce qui serait considéré comme un biomatériau révolutionnaire à base de collagène, qui serait développé par l’industrie. Il reste néanmoins plusieurs étapes clés dans la recherche.

« Cela commence par le fait d’oser se lancer dans quelque chose de complètement nouveau sans savoir si cela va fonctionner ou non », a déclaré Jacob Machado.

La recherche publiée examine une relation génomique claire entre les cellules juxtaligamentales en étoile fragile (JLC) et la modulation collagène réversible, identifiant 16 gènes différents qui représentent un « point d’interrogation » important et passionnant, a déclaré Jacob Machado.

Dans le cadre de recherches à venir, utilisant des techniques telles que l’hybridation in situ (ISH) et l’interférence ARN (ARNi) pour « traquer » ces gènes, Jacob Machado a déclaré que l’équipe pourrait étudier « ce qui arrive aux échinodermes une fois que certains de ces gènes sont désactivés ».

Ce processus de détection et d’élimination génomique permettra à l’équipe de déterminer si les gènes MCT putatifs « sont impliqués dans des fonctionnalités spécifiques des tissus collagènes mutables », selon Jacob Machado, qui s’attend à ce que la prochaine étape de la recherche soit achevée au cours de la prochaine année et une moitié.

Voie vers une nouvelle matrice de collagène et un nouveau biomatériau

Jusqu’à présent, selon Jacob Machado, les recherches fusionnent l’expertise multidisciplinaire avec la créativité et la bioinformatique avancée. Jacob Machado attribue le mérite au travail d’experts intimement familiers avec la bioinformatique et la biologie des échinodermes, collaborant avec une équipe « extrêmement compétente » utilisant des microscopes électroniques à transition, formant ainsi une approche d’équipe imaginative des « conceptions expérimentales » pour l’analyse de l’ARN.

Dirigée par Jacob Machado et Mashanov, l’équipe de recherche du Département de bioinformatique et de génomique de l’UNC Charlotte comprend Nouri, April Harris, Gari New, William Taylor (étudiant et personnel), Daniel Janies et Robert W. Reid (professeur).

Alors que la modulation des tissus collagènes de l’échinoderme est familière aux scientifiques, au chasseur de plage moyen et aux poissons affamés, les recherches de l’équipe placent la science sur une voie accélérée vers la compréhension de la régénération des tissus cellulaires.

Dans Génomique BMCles chercheurs écrivent que « l’étude est la première tentative de découverte de nouveaux gènes spécifiques au MCT de l’échinoderme en utilisant des approches de séquençage, d’expression différentielle des gènes et d’annotation de pointe ».

Contrairement aux humains ou aux souris, les étoiles fragiles présentent des obstacles uniques à la recherche car elles sont considérées comme des « organismes non modèles », selon Jacob Machado, ce qui signifie qu’elles sont beaucoup moins étudiées que les souris ou les humains et n’ont pas les mêmes protocoles. Néanmoins, l’anatomie des étoiles fragiles a fourni à l’équipe des angles créatifs pour des points de comparaison permettant d’établir des régions de tissus de contrôle par rapport à celles ayant des propriétés régénératrices attendues dans les cellules juxtaligamentaires.

Ces JLC ont été essentiels à l’enquête de l’équipe. Dans l’article, l’équipe de recherche explique le travail visant à « quantifier l’expression des gènes dans la région centrale du bras interne (enrichie en JLC) de l’étoile fragile Ophiomastix wendtii par rapport au bras entier (contenant le niveau basal (c’est-à-dire ni enrichi ni appauvri)) des JLC) et de l’estomac (qui est dépourvu de JLC). » Cette approche particulière a permis à l’équipe d’isoler une échelle de relations entre les JLC et la production régénératrice de MCT dans des régions de plus grande intensité, comme dans le bras interne par rapport au bras entier.

Étant donné que la génomique des étoiles fragiles ne dispose pas de la même gamme de protocoles expérimentaux que les souris et d’autres espèces, l’équipe de recherche a décrit des voies importantes pour une exploration future utilisant l’ISH et l’ARNi pour identifier et cibler les gènes qui contrôlent le MCT. Jacob Machado espère que ce ciblage génétique servira de catalyseur à un prototype destiné à piloter de futures applications biomédicales humaines transformatrices.

L’une des voies les plus prometteuses est le développement de ce que Jacob Machado décrit comme un « nouveau biomatériau dynamique et intelligent », basé sur une matrice de collagène en instance de brevet développée à partir de l’interaction des fonctionnalités JLC et MCT.

Jacob Machado considère ce matériau comme une « matrice de collagène qui peut changer de souplesse pour devenir aussi douce ou rigide que nous le souhaitons ». L’utilité de ce biomatériau dans le domaine médical pourrait être illimitée, car il pourrait servir de base à une colle chirurgicale à réponse rapide pour le personnel militaire ou fonctionner comme un « origami gélatineux » – pour reprendre l’expression de Jacob Machado – à la place des stents traditionnels et autres. mesures pour remédier aux blocages.

« Confirmer le rôle des gènes candidats identifiés dans le contrôle de la résistance à la traction du MCT ouvrira un large éventail de nouvelles possibilités tant pour la biologie fondamentale que pour la biomédecine », a écrit l’équipe de recherche dans l’article.

Les études futures, selon l’équipe, éclaireront davantage « l’évolution et les mécanismes moléculaires de l’échinoderme MCT ». Cette compréhension plus approfondie pourrait être le catalyseur de futures avancées en matière de recherche en éclairant « la conception de nouveaux biomatériaux à base de collagène dotés de propriétés mécaniques dynamiques et réglables pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative ».