Naukowcy z Duke pomagają opracować biomateriał, który poprawia gojenie się skóry

DUHAM – Naukowcy z Duke University i University of California w Los Angeles opracowali biomateriał, który znacznie ogranicza powstawanie blizn po zranieniu, co prowadzi do skuteczniejszego gojenia się skóry. Ten nowy materiał, który szybko ulega degradacji po zagojeniu rany, pokazuje, że aktywacja adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej może wywołać regeneracyjne gojenie się ran, pozostawiając mocniejszą i zdrowszą, zagojoną skórę.

Praca ta opiera się na wcześniejszych badaniach zespołu z rusztowaniami hydrożelowymi, które tworzą strukturę wspierającą wzrost tkanki, przyspieszając gojenie się ran. W nowym badaniu zespół wykazał, że zmodyfikowana wersja tego hydrożelu aktywuje regeneracyjną odpowiedź immunologiczną, która może potencjalnie pomóc w leczeniu urazów skóry, takich jak oparzenia, skaleczenia, owrzodzenia cukrzycowe i inne rany, które zwykle goją się ze znacznymi bliznami, które są bardziej podatne na ponowne urazy. .

Wyniki badania ukazały się w Internecie 9 listopada 2020 r. w czasopiśmie Nature Materials.

„Organizm tworzy tkankę bliznowatą tak szybko, jak to możliwe, aby zmniejszyć ryzyko infekcji, zmniejszyć ból, a w przypadku większych ran, aby uniknąć utraty wody w wyniku parowania” – powiedziała Maani Archang, pierwsza autorka artykułu i doktor nauk medycznych student w laboratoriach Scumpia i Di Carlo na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. „To naturalny proces gojenia się ran”.

Obecne hydrożele gojące rany, dostępne do użytku klinicznego, osadzają się na powierzchni rany, gdzie działają jak opatrunek i pomagają zapobiegać wysychaniu rany. To z kolei pomaga ranie szybciej się goić, zazwyczaj poprzez tworzenie się blizn.

W artykule Nature Materials z 2015 r. zespół badawczy, kierowany przez Tatianę Segurę z Duke i Dino Di Carlo z UCLA, opracował hydrożele mikroporowate wyżarzone cząstki (MAP), które są biomateriałem na bazie mikrocząstek, który może integrować się z raną, a nie osadzać się na skórze. powierzchnia. Perełki żelu MAP łączą się ze sobą, ale pozostawiają otwarte przestrzenie, tworząc porowatą strukturę, która zapewnia wsparcie komórkom rosnącym w miejscu rany. W miarę zamykania się rany żel powoli się rozpuszcza, pozostawiając zagojoną skórę.

Chociaż hydrożele MAP umożliwiły szybki wzrost komórek i szybszą naprawę, zespół zauważył, że zagojona skóra ma ograniczone złożone struktury, takie jak mieszki włosowe i gruczoły łojowe. Zespół był ciekaw, czy można zmienić biomateriał, aby poprawić jakość zagojonej skóry.

„Wcześniej zaobserwowaliśmy, że gdy rana zaczęła się goić, żel MAP zaczął tracić porowatość, co ograniczało możliwość przerastania tkanki przez strukturę” – mówi Don Griffin, adiunkt na Uniwersytecie Wirginii, który jest pierwszym autor artykułu i były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Segura Lab. „Postawiliśmy hipotezę, że spowolnienie tempa degradacji rusztowania MAP zapobiegnie zamykaniu się porów i zapewni dodatkowe wsparcie tkance podczas jej wzrostu, co poprawi jakość tkanki”.

Zamiast tworzyć zupełnie nowy żel z nowych materiałów, zespół skupił się na łączniku chemicznym, który umożliwił naturalny rozkład rusztowania przez organizm. W oryginalnych żelach MAP ten łącznik chemiczny składa się z sekwencji aminokwasów pobranej z własnych białek strukturalnych organizmu i ułożonej w orientacji chemicznej zwanej chiralnością L. Ponieważ ta sekwencja i orientacja peptydów jest wspólna w całym organizmie, pomaga to żelowi uniknąć wywołania silnej odpowiedzi immunologicznej, ale umożliwia także łatwą degradację przez naturalnie obecne enzymy.

„Nasz organizm ewoluował, aby rozpoznawać i degradować tę strukturę aminokwasów, więc wysnuliśmy teorię, że jeśli odwrócimy strukturę do jej lustrzanego odbicia, czyli chiralności D, organizmowi będzie trudniej zdegradować rusztowanie” – powiedziała Segura, profesor inżynierii biomedycznej w Duke. „Ale kiedy umieściliśmy hydrożel w ranie myszy, zaktualizowany żel działał dokładnie odwrotnie”.

Zaktualizowany materiał zintegrował się z raną i podtrzymał tkankę podczas zamykania się rany. Zamiast jednak działać dłużej, zespół odkrył, że nowy żel prawie całkowicie zniknął z rany, pozostawiając jedynie kilka cząstek.

Jednak zagojona skóra okazała się mocniejsza i zawierała złożone struktury skóry, których zazwyczaj nie ma w bliznach. Po dalszych badaniach naukowcy odkryli, że przyczyną silniejszego gojenia – pomimo braku trwałości – była inna odpowiedź immunologiczna na żel.

Po uszkodzeniu skóry natychmiast aktywuje się wrodzona odpowiedź immunologiczna organizmu, aby zapewnić szybkie zniszczenie wszelkich obcych substancji, które dostaną się do organizmu. Jeśli substancje zdołają uniknąć tej pierwszej odpowiedzi immunologicznej, włącza się adaptacyjna odpowiedź immunologiczna organizmu, która z większą swoistością identyfikuje i atakuje atakujący materiał.

Ponieważ oryginalny żel MAP został wykonany ze wspólnej struktury peptydu L, generował łagodną wrodzoną odpowiedź immunologiczną. Kiedy jednak zespół umieścił żel o zmienionym składzie w ranie, obca chiralność D aktywowała nabyty układ odpornościowy, który wytworzył przeciwciała i aktywował komórki, w tym makrofagi, które szybciej atakowały żel i usuwały go po zamknięciu rany.

„Istnieją dwa rodzaje odpowiedzi immunologicznej, które mogą wystąpić po urazie – reakcja destrukcyjna i łagodniejsza reakcja regeneracyjna” – powiedziała Scumpia, adiunkt na oddziale dermatologii w UCLA Health i West Los Angeles VA Medical Center. „Kiedy większość biomateriałów umieszcza się w organizmie, są one odgradzane przez układ odpornościowy i ostatecznie ulegają degradacji lub zniszczeniu. Jednak w tym badaniu odpowiedź immunologiczna na żel wywołała reakcję regeneracyjną w zagojonej tkance”.

„To badanie pokazuje nam, że aktywację układu odpornościowego można wykorzystać do przechylenia równowagi w gojeniu ran od niszczenia tkanek i tworzenia blizn po naprawę tkanek i regenerację skóry” – stwierdziła Segura.

Współpracując z Maksimem Plikusem, ekspertem w dziedzinie tkanek regeneracyjnych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, zespół potwierdził również, że kluczowe struktury, takie jak mieszki włosowe i gruczoły łojowe, prawidłowo formowały się na rusztowaniu. Kiedy zespół zagłębił się w mechanizm, odkrył, że do tej reakcji regeneracyjnej potrzebne są komórki nabytego układu odpornościowego.

W miarę kontynuacji badań nad regeneracyjną odpowiedzią immunologiczną na żel zespół bada również możliwość wykorzystania nowego hydrożelu MAP jako platformy immunomodulacyjnej. „Zespół bada obecnie najlepszy sposób uwolnienia sygnałów immunologicznych z żelu w celu wywołania regeneracji skóry lub opracowania hydrożelu jako platformy szczepionki” – powiedział Scumpia.

„Jestem podekscytowany możliwością zaprojektowania materiałów, które mogą bezpośrednio oddziaływać z układem odpornościowym, wspierając regenerację tkanek” – powiedział Segura. „To dla nas nowe podejście”.

Ta praca była wspierana przez National Institutes of Health (F32EB018713-01A1, T32-GM008042, U01AR073159), The National Science Foundation (DMS1763272), Simons Foundation Grants (594598, QN, R01NS094599, R01HL110592, R03AR073940, K08AR0665 45), fundacja Pew Charitable Trust i Fundacja LEO.

Donald Griffin, Westbrook Weaver, Dino Di Carlo, Tatiana Segura i Philip Scumpia mają interesy finansowe w firmie Tempo Therapeutics, której celem jest komercjalizacja technologii MAP.

CYTAT: „Aktywacja adaptacyjnej odpowiedzi odpornościowej z hydrożelowego rusztowania zapewnia regeneracyjne gojenie ran”, 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. Materiały przyrodnicze, 2020. 10.1038/s41563-020-00844-w

(C) Uniwersytet Duke'a

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire