Duke-forskere hjælper med at udvikle biomateriale, der forbedrer hudheling

DURHAM – Forskere ved Duke University og University of California, Los Angeles, har udviklet et biomateriale, der markant reducerer ardannelse efter sår, hvilket fører til mere effektiv hudheling. Dette nye materiale, som hurtigt nedbrydes, når såret er lukket, viser, at aktivering af et adaptivt immunrespons kan udløse regenerativ sårheling, hvilket efterlader stærkere og sundere helet hud.

Dette arbejde bygger på holdets tidligere forskning med hydrogel-stilladser, som skaber en struktur, der understøtter vævsvækst og accelererer sårheling. I deres nye undersøgelse viste holdet, at en modificeret version af denne hydrogel aktiverer en regenerativ immunrespons, som potentielt kan hjælpe med at helbrede hudskader som forbrændinger, snitsår, diabetiske sår og andre sår, der normalt heler med betydelige ar, der er mere modtagelige for genskade .

Denne forskning vises online den 9. november 2020 i tidsskriftet Nature Materials.

"Kroppen danner arvæv så hurtigt som muligt for at reducere risikoen for infektion, for at reducere smerte og, i større sår, for at undgå vandtab gennem fordampning," sagde Maani Archang, en førsteforfatter på papiret og en MD/PhD studerende i Scumpia og Di Carlo laboratorier ved UCLA. "Det er en naturlig proces med sårheling."

Nuværende sårhelende hydrogeler, der er tilgængelige til klinisk brug, sidder på overfladen af såret, hvor de fungerer som en forbinding og hjælper med at forhindre såret i at tørre ud. Det hjælper igen såret med at hele hurtigere, generelt via ardannelse.

I deres Nature Materials-papir fra 2015 udviklede forskerholdet, ledet af Duke's Tatiana Segura og UCLA's Dino Di Carlo, mikroporøse annealed partikel (MAP) hydrogeler, som er et mikropartikelbaseret biomateriale, der kan integreres i såret i stedet for at sidde på hudens hud. overflade. Perlerne i MAP-gelen binder sammen, men efterlader åbne rum, hvilket skaber en porøs struktur, der giver en støtte til celler, når de vokser hen over sårstedet. Når såret lukker, opløses gelen langsomt og efterlader helet hud.

Selvom MAP-hydrogelerne muliggjorde hurtig cellulær vækst og hurtigere reparation, bemærkede holdet, at den helede hud havde begrænsede komplekse strukturer som hårsække og talgkirtler. Holdet var spændt på, om de kunne ændre deres biomateriale for at forbedre kvaliteten af den helede hud.

"Tidligere havde vi set, at efterhånden som såret begyndte at hele, begyndte MAP-gelen at miste porøsitet, hvilket begrænsede, hvordan vævet kunne vokse gennem strukturen," siger Don Griffin, en assisterende professor ved University of Virginia, som er den første. forfatter på papiret og en tidligere postdoc i Segura Lab. "Vi antog, at en nedsættelse af nedbrydningshastigheden af MAP-stilladset ville forhindre porerne i at lukke og give yderligere støtte til vævet, når det vokser, hvilket ville forbedre vævets kvalitet."

I stedet for at skabe en helt ny gel med nye materialer, fokuserede holdet i stedet på den kemiske linker, der gjorde det muligt for stilladset at blive naturligt nedbrudt af kroppen. I deres originale MAP-geler er denne kemiske linker sammensat af en aminosyresekvens taget fra kroppens egne strukturelle proteiner og arrangeret i en kemisk orientering kaldet L-kiralitet. Fordi denne peptidsekvens og orientering er almindelig i hele kroppen, hjælper dette gelen med at undgå at udløse et stærkt immunrespons, men det muliggør også let nedbrydning gennem naturligt tilstedeværende enzymer.

"Vores krop har udviklet sig til at genkende og nedbryde denne aminosyrestruktur, så vi teoretiserede, at hvis vi vendte strukturen til dens spejlbillede, som er D-kiralitet, ville kroppen have sværere ved at nedbryde stilladset," sagde Segura, en professor af biomedicinsk ingeniør hos Duke. "Men da vi puttede hydrogelen i et musesår, endte den opdaterede gel med at gøre det stik modsatte."

Det opdaterede materiale integrerede sig i såret og understøttede vævet, da såret lukkede. Men i stedet for at holde længere, opdagede holdet, at den nye gel næsten helt var forsvundet fra sårstedet og efterlod kun nogle få partikler.

Den helede hud viste sig dog at være stærkere og omfattede komplekse hudstrukturer, der typisk er fraværende i ar. Efter yderligere undersøgelser opdagede forskerne, at årsagen til den stærkere heling – på trods af manglen på lang levetid – var en anden immunreaktion på gelen.

Efter en hudskade aktiveres kroppens medfødte immunrespons øjeblikkeligt for at sikre, at eventuelle fremmede stoffer, der kommer ind i kroppen, hurtigt bliver ødelagt. Hvis stoffer kan undslippe denne første immunrespons, træder kroppens adaptive immunrespons ind, som identificerer og målretter det invaderende materiale med mere specificitet.

Fordi den originale MAP-gel blev lavet med den almindelige L-peptidstruktur, genererede den et mildt medfødt immunrespons. Men da holdet placerede den omformulerede gel i et sår, aktiverede den fremmede D-kiralitet det adaptive immunsystem, som skabte antistoffer og aktiverede celler, herunder makrofager, der målrettede og fjernede gelen hurtigere, efter at såret var lukket.

"Der er to typer af immunresponser, der kan opstå efter skade - en destruktiv reaktion og en mere mild regenerativ reaktion," sagde Scumpia, en assisterende professor i afdelingen for dermatologi ved UCLA Health og West Los Angeles VA Medical Center. ”Når de fleste biomaterialer placeres i kroppen, bliver de afskærmet af immunsystemet og til sidst nedbrudt eller ødelagt. Men i denne undersøgelse inducerede immunresponset på gelen et regenerativt respons i det helede væv."

"Denne undersøgelse viser os, at aktivering af immunsystemet kan bruges til at vippe balancen mellem sårheling fra vævsdestruktion og ardannelse til vævsreparation og hudregenerering," sagde Segura.

I samarbejde med Maksim Plikus, en regenerativt vævsekspert ved University of California, Irvine, bekræftede holdet også, at nøglestrukturer, såsom hårsække og talgkirtler, dannedes korrekt over stilladset. Da holdet gravede i mekanismen, fandt de ud af, at cellerne i det adaptive immunsystem er nødvendige for denne regenerative respons.

Mens holdet fortsætter med at studere det regenerative immunrespons på deres gel, undersøger de også muligheden for at bruge den nye MAP-hydrogel som en immunmodulerende platform. "Holdet udforsker nu den bedste måde at frigive immunsignaler fra gelen for enten at inducere hudregenerering eller udvikle hydrogelen som en vaccineplatform," sagde Scumpia.

"Jeg er begejstret for muligheden for at designe materialer, der direkte kan interagere med immunsystemet for at understøtte vævsregenerering," sagde Segura. "Dette er en ny tilgang for os."

Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health (F32EB018713-01A1, T32-GM008042, U01AR073159), The National Science Foundation (DMS1763272), Simons Foundation Grants (594598, QN, R01NS094599, R3005, K005, K005, K005, K005, K005, K005, K005, K005, K005, K0405, R605, K005, R605, K005, K005, K005 545), Pew Charitable Trust og LEO Fonden.

Donald Griffin, Westbrook Weaver, Dino Di Carlo, Tatiana Segura og Philip Scumpia har en økonomisk interesse i Tempo Therapeutics, som har til formål at kommercialisere MAP-teknologi.

CITATION: "Aktivering af et adaptivt immunrespons fra et hydrogel-stillads giver regenerativ sårheling," Donald Griffin, Maani Archang, Chen Kuan, Westbrook Weaver, Jason Weinstein, An Chieh Feng, Amber Ruccia, Elias Sideris, Vasileios Ragkousis, Jaekyung Koh, Maksim Plikus, Dino Di Carlo, Tatiana Segura, Philip Scumpia. Nature Materials, 2020. 10.1038/s41563-020-00844-w

(C) Duke University

Original artikelkilde: WRAL TechWire