Μία βιοδραστική υδρογέλη υπόσχεται ταχύτερη επούλωση πληγών

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Science Advances» παρουσιάζει τη χρήση ενός νέου υλικού μηχανικής ιστών, που αποτελείται από βιοδραστική ενέσιμη υδρογέλη και επιταχύνει τον ρυθμό επούλωσης σε τραυματισμένους ιστούς.

Οι βιομηχανικοί του πανεπιστημίου Rice πήραν ένα υδροπηκτωμένο σκελετό με βιομόρια ικανά να προάγουν την επούλωση σε τραυματισμένους ιστούς όπως οστούν, χόνδρο ή δέρμα.

Να σημειωθεί ότι, πολυμερικές υδρογέλες έχουν χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια για να παρέχουν μηχανικά ικριώματα πάνω από τα οποία τα κύτταρα του σώματος μπορούν να αναπτυχθούν για να επιταχύνουν την επούλωση ιστών σε τραυματισμένους ιστούς όπως οστά ή χόνδρο. Ωστόσο, είναι ουσιαστικά αδρανείς και δεν μπορούν να προωθήσουν τη θεραπεία μόνοι τους.

Στην νέα αυτή έρευνα, αυξητικοί παράγοντες και άλλα βιοδραστικά μόρια γίνονται μέρος της υδρογέλης. Αυτό γίνεται κάνοντας χρήση μιας χημικής ουσίας που ονομάζεται πολυ (γλυκολικό οξύ) -πολυ (αιθυλενογλυκόλη) -πολυ (γλυκολικό οξύ) -δι (βουτ-2-υν-1,4-διθειόλη) (PdBT) υδρογέλη. Οι σταυροσυνδέτες σε μια υδρογέλη είναι το κλειδί για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητάς της, ακόμα και όταν έχει απορροφήσει πολλές φορές το βάρος του νερού.

Το PdBT είναι μια ένωση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διασυνδέσεις πολυμερών και είναι βιοαποικοδομήσιμη. Μπορεί να συνδέεται με βιο-μοριακά μόρια ιστού (τόσο μικρά πεπτίδια όσο και μεγάλα μόρια, όπως εξαρτήματα εξωκυττάριας μήτρας, ειδικά για διάφορους ιστούς, σε θερμοκρασία δωματίου για να καταστεί βιοενεργοποιημένη.)

Το PdBT διασυνδέει ταχέως το πολυμερές υδρογέλης για να δημιουργήσει μια πολύ διογκωμένη βιοδραστική, βιοσυμβατή και βιοαποικοδομήσιμη υδρογέλη. Η ταχύτητα σχηματισμού υδρογέλης του επιτρέπει να γεμίζει γρήγορα τα κενά του ιστού και να διατηρεί άλλες αντιδραστικές ομάδες στο PdBT μακριά από τα κύτταρα ιστών.

Η ενεργή υδρογέλη που δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο εύκολα εγκλείει μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα από τον ξενιστή. Τα συζευγμένα βιομόρια παραμένουν σταθερά στην υδρογέλη και διοχετεύονται απευθείας στον ιστό. Αυτό εμποδίζει τη διάχυσή τους έξω από την τραυματισμένη περιοχή καθώς, θα μπορούσε να προκαλέσει ανεπιθύμητες συνέπειες όπως απενεργοποίηση ή περιττή ανάπτυξη ιστού.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δεδομένα από πειράματα σε οστά και χόνδρο, τα οποία επιβεβαίωσαν ότι οι διασυνδετικοί παράγοντες όπως το PdBT θα μπορούσαν να δεσμεύσουν βιομόρια και να σχηματίσουν μια υδρογέλη όταν αναμιγνύονται με νερό που περιέχει καταλύτη.

Το μίγμα υδρογέλης μπορεί να εγχυθεί σε τραυματισμένο ιστό. Εκεί διογκώνεται απορροφώντας νερό για να γεμίσει το ελάττωμα ιστού και τα βιομόρια έρχονται σε επαφή με βλαστοκύτταρα στον ιστό του ξενιστή.

Αυτό τους τραβάει στην πληγή για να λειτουργήσει ως κέντρο σποράς από το οποίο αρχίζει η νέα ανάπτυξη. Καθώς ο νέος ιστός αναπτύσσεται μέσα στο τραύμα, η υδρογέλη υποβαθμίζεται και τελικά εξαφανίζεται.

JEFF FITLOW / RICE UNIVERSITY

Antonios Mikos (αριστερά) και Jason Guo

Η τρέχουσα έρευνα βασίστηκε σε προηγούμενη εμπειρία με υδρογέλες και το πλεονέκτημα είναι ότι δεν απαιτείται σύστημα δευτερογενούς έγχυσης για να δώσει στα βιομόρια πρόσβαση στον ιστό.

Ο Jason Guo,ένας από τους επικεφαλής ερευνητές επεσήμανε ότι το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι ενσωματώνουν άμεσα αυτά τα βιομόρια για τον συγκεκριμένο ιστό ακριβώς στον ίδιο τον εγκάρσιο συνδετήρα. Στη συνέχεια, μόλις εγχύσουν την υδρογέλη, τα βιομόρια διοχετεύονται όπου πρέπει να πάνε.

Όπως είπε, η ερευνητικό ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει προσαρμοσμένα μίγματα που απαιτούν μόνο τα βιοδραστικά μόρια που θα προστεθούν στην υδρογέλη σε θερμοκρασία δωματίου για άμεση χρήση.

Η διαδικασία παρασκευής είναι εύκολη και εμποδίζει τη θερμική αποικοδόμηση των βιομορίων που είναι επιβλαβής για την επιδιωκόμενη δραστηριότητα τους.

Ο Αντώνιος Μίκος, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, τόνισε ότι αυτό είναι σημαντικό όχι μόνο για την ευκολία παρασκευής και σύνθεσης, αλλά και επειδή αυτά τα μόρια μπορεί να χάσουν τη βιολογική τους δραστηριότητα όταν θερμαίνονται. Αυτό είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα με την ανάπτυξη βιοϋλικών που βασίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες ή στη χρήση οργανικών διαλυτών.

Η βιομοριακή σύζευξη με τον διασυνδετικό παράγοντα κατέστη δυνατή μέσω ενός τύπου χημικής αντίδρασης που ονομάζεται «alkyne-azide click chemistry».

Ωστόσο, οι καταλύτες που χρησιμοποιούνται στη χημεία αυτή δεν είναι συνήθως συμβατοί με το νερό. Η ομάδα πέτυχε να παρακάμψει αυτό το εμπόδιο με τη χρήση ενός συγκεκριμένου καταλύτη, βασισμένου στο ρουθήνιο, που εκτός από το ότι είναι συμβατό με το πολυμερές πλέγμα υδρογέλης είναι μη τοξικό στους ιστούς και διαλυτό στο νερό. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που το μόριο αυτό εφαρμόστηκε σε βιομοριακά πλαίσια.

Όπως εξήγησαν οι ειδικοί, άλλοι (καταλύτες) είναι συχνά κυτταροτοξικοί ή είναι αδρανείς υπό υδατικές συνθήκες ή μπορεί να μην λειτουργούν με το συγκεκριμένο είδος αλκυνίου στο πολυμερές.

Αυτός ο συγκεκριμένος καταλύτης, λειτουργεί κάτω από τις απαρίτητες συνθήκες, δηλαδή συνθήκες πολύ ήπιες, υδατικές και ευνοϊκές για βιομόρια.

Ωστόσο, επεσήμαναν ότι θα χρειαστεί περισσότερη μελέτη για να εκτιμηθεί η δραστηριότητα των βιομορίων ακινητοποιημένων σε μια υδρογέλη και τι συμβαίνει εάν διαχέονται στην γύρω περιοχή καθώς το PdBT διασπάται.

Ανεξάρτητα από αυτό όμως, η μελέτη αυτή παρέχει μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την επισκευή των ιστών χρησιμοποιώντας υδροπηκτοποιημένες υδρογέλες.