Des chercheurs en ingénierie développent des nanoparticules poreuses pour la médecine régénérative

Les cellules souches peuvent se développer en différents types de cellules dans le corps. Par exemple, lorsqu’une personne est blessée, les cellules souches viennent sur le site de la blessure et aident à la guérison des tissus endommagés. Une nouvelle nanotechnologie développée par une équipe de chercheurs de la Texas A&M University pourrait tirer parti du potentiel de régénération du corps en dirigeant les cellules souches pour former du tissu osseux.

Akhilesh K. Gaharwar, professeur agrégé et Presidential Impact Fellow au Département de génie biomédical et membre de l’American Institute for Medical and Biological Engineering, dirige l’équipe. Les chercheurs ont développé des nanoparticules de structure organique covalente (COF) 2D stables à l’eau qui peuvent diriger la différenciation des cellules souches mésenchymateuses humaines en cellules osseuses.

Une attention particulière de la recherche a été accordée aux COF 2D – polymères organiques poreux – en raison de leur cristallinité, de leur structure poreuse ordonnée et accordable et de leur surface spécifique élevée. Cependant, la difficulté de transformer les COF en matériaux nanométriques, ainsi que leur faible stabilité, ont limité leur application en médecine régénérative et en administration de médicaments. Il existe un besoin pour de nouvelles approches qui fournissent à ces COF une stabilité physiologique suffisante tout en maintenant leur biocompatibilité.

L’équipe de Gaharwar a amélioré la stabilité hydrolytique (dans l’eau) des COF en les intégrant à des polymères amphiphiles, qui sont des macromolécules contenant à la fois des composants hydrophobes et hydrophiles. Cette approche, qui n’a pas été rapportée auparavant, confère une dispersibilité dans l’eau aux COF, permettant une application biomédicale de ces nanoparticules.

« Au meilleur de notre connaissance, il s’agit du premier rapport démontrant la capacité des COF à diriger les cellules souches vers le tissu osseux », a déclaré Gaharwar. « Cette nouvelle technologie a le potentiel d’avoir un impact sur le traitement de la régénération osseuse. »

Les chercheurs ont découvert que les COF 2D n’affectent pas la viabilité et la prolifération d’une cellule, même à des concentrations plus élevées. Ils ont observé que ces COF 2D présentent une bioactivité et dirigent les cellules souches vers les cellules osseuses. L’étude préliminaire a indiqué que la forme et la taille de ces nanoparticules peuvent conférer cette bioactivité, et des études approfondies supplémentaires doivent être menées pour des informations mécanistes.

Ces nanoparticules sont très poreuses et l’équipe de Gaharwar a exploité cette caractéristique unique pour l’administration de médicaments. Ils ont pu charger un médicament ostéo-inducteur appelé dexaméthasone dans la structure poreuse du COF pour améliorer encore la formation osseuse.

« Ces nanoparticules pourraient prolonger l’administration de médicaments aux cellules souches mésenchymateuses humaines, qui sont couramment utilisées dans la régénération osseuse », a déclaré Sukanya Bhunia, auteur principal de l’étude et associé postdoctoral au département de génie biomédical. « L’administration soutenue du médicament a entraîné une différenciation accrue des cellules souches vers la lignée osseuse, et cette technique peut être utilisée pour la régénération osseuse. »

Gaharwar a noté qu’après avoir fourni une preuve de concept, la prochaine étape de la recherche de l’équipe consistera à évaluer cette nanotechnologie dans un modèle malade.

Ces découvertes sont importantes pour la conception future de biomatériaux qui peuvent donner des orientations pour la régénération tissulaire et les applications d’administration de médicaments.

Les résultats ont été publiés dans Matériaux de soins de santé avancés journal. Les autres contributeurs à la recherche sont Manish Jaiswal, Kanwar Abhay Singh et Kaivalya Deo du département de génie biomédical de Texas A&M.