Biomaterialer med Frankenstein -proteiner hjælper med at helbrede væv

Biomedicinske ingeniører fra Duke University og Washington University i St. Louis har vist, at ved at injicere et kunstigt protein fremstillet af en opløsning af ordnede og uordnede segmenter, et fast stillads dannes som reaktion på kropsvarme, og på få uger integreres problemfrit i væv.

Evnen til at kombinere disse segmenter til proteiner med unikke egenskaber vil give forskere mulighed for præcist at kontrollere egenskaberne af nye biomaterialer til applikationer inden for vævsteknik og regenerativ medicin.

Forskningen vises online den 15. oktober i tidsskriftet Naturmaterialer .

Proteiner fungerer ved at folde, origami-lignende, og interagerer med specifikke biomolekylære strukturer. Forskere mente tidligere, at proteiner havde brug for en fast form for at fungere, men i løbet af de sidste to årtier har der været en stigende interesse for iboende uordnede proteiner (IDP'er). I modsætning til deres velfoldede modstykker, Internt fordrevne kan anvende en overflod af forskellige strukturer. Imidlertid, disse strukturelle præferencer er ikke-tilfældige, og nylige fremskridt har vist, at der er veldefinerede regler, der forbinder information i aminosyresekvenserne for internt fordrevne med samlingerne af strukturer, de kan anvende.

Forskere har antaget, at alsidighed i proteinfunktion kan opnås ved at samle velfoldede proteiner med IDP'er-snarere som perlekæder. Denne alsidighed er indlysende i biologiske materialer som muskel- og silkefibre, som er lavet af proteiner, der kombinerer ordnede og uordnede områder, gør det muligt for materialerne at udvise egenskaber som elasticitet af gummi og stålets mekaniske styrke.

IDP'er er medvirkende til mobilfunktionen, og mange biomedicinske ingeniører har koncentreret deres indsats om en ekstremt nyttig IDP kaldet elastin. Et meget elastisk protein, der findes i hele kroppen, elastin tillader blodkar og organer - som huden, livmoder og lunger - for at vende tilbage til deres oprindelige form efter at have været strakt eller komprimeret. Imidlertid, at skabe elastin uden for kroppen viste sig at være en udfordring.

Så forskerne besluttede at tage en reduktionistisk teknisk tilgang til problemet.

"Vi var nysgerrige efter at se, hvilke typer materialer vi kunne lave ved at tilføje orden til et ellers meget uordentligt protein, "sagde Stefan Roberts, en ph.d. studerende i Chilkoti -laboratoriet og første forfatter på papiret.

På grund af udfordringerne ved at bruge elastin selv, forskergruppen arbejdede med elastinlignende polypeptider (ELP'er), som er fuldstændig uordnede proteiner lavet til at efterligne stykker elastin. ELP'er er nyttige biomaterialer, fordi de kan undergå faseændringer - gå fra en opløselig til en uopløselig tilstand, eller omvendt-som reaktion på temperaturændringer. Selvom dette gør disse materialer nyttige til applikationer som langsigtet lægemiddellevering, deres væske-lignende adfærd forhindrer dem i at være effektive stilladser til vævstekniske applikationer.

Men ved at tilføje bestilte domæner til ELP'erne, Roberts og teamet skabte "Frankenstein" proteiner, der kombinerer ordnede domæner og uordnede områder, der fører til såkaldte delvist ordnede proteiner (POP'er), som er udstyret med strukturel stabilitet af ordnede proteiner uden at miste ELP'ernes evne til at blive flydende eller fast via temperaturændringer.

Designet som en væske ved stuetemperatur, der størkner ved kropstemperatur, disse nye biomaterialer danner en stabil, porøst stillads ved indsprøjtning, der hurtigt integreres i det omgivende væv med minimal betændelse og fremmer dannelsen af ​​blodkar.

"Dette materiale er meget stabilt efter injektion. Det nedbrydes ikke hurtigt, og det holder sin volumen rigtig godt, hvilket er usædvanligt for et proteinbaseret materiale, "Sagde Roberts." Celler trives også i materialet, genbefolke vævet i det område, hvor det injiceres. Alle disse egenskaber kan gøre det til en levedygtig mulighed for vævsteknik og sårheling. "

Selvom stilladset skabt af POP var stabilt, holdet observerede også, at materialet ville opløses igen, når det var afkølet. Hvad mere er, dannelses- og opløsningstemperaturerne kunne uafhængigt kontrolleres ved at kontrollere forholdet mellem uordnede og ordnede segmenter i biomaterialet. Denne uafhængige afstemning giver formminder på POP'erne via et fænomen kendt som hysterese, giver dem mulighed for at vende tilbage til deres oprindelige form efter et temperaturstik.

Duke -teamet samarbejdede med laboratoriet i Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i teknik ved Institut for Biomedicinsk Teknik ved Washington University i St. Louis for at forstå det molekylære grundlag for sekvens-kodet hysteretisk adfærd. Tyler S. Harmon, derefter en fysik ph.d. studerende i Pappu -laboratoriet, udviklet en beregningsmodel for at vise, at hysteresen stammer fra differentierede vekselvirkninger mellem ordnede og uordnede områder med opløsningsmiddel versus alene.

"At kunne simulere det molekylære grundlag for afstembar hysterese bringer os på vej til at designe skræddersyede materialer med ønskede strukturer og forme hukommelsesprofiler, "Sagde Pappu." Dette ser ud til at være et hidtil ukendt træk ved synergien mellem bestilte domæner og internt fordrevne. "

Gå videre, teamet håber at studere materialet i dyremodeller for at undersøge potentielle anvendelser inden for vævsteknik og sårheling og for at udvikle en bedre forståelse af, hvorfor materialet fremmer vaskularisering. Hvis disse undersøgelser er effektive, Roberts er optimistisk over, at det nye materiale kan blive grundlaget for en bioteknologisk virksomhed. De ønsker også at udvikle en dybere forståelse af interaktionerne mellem de ordnede og uordnede dele i disse alsidige materialer.

"Vi har været så fascineret af faseadfærden fra de uordnede domæner, at vi tilsidesatte egenskaberne af de ordnede domæner, hvilket viste sig at være ganske vigtigt, "Sagde Chilkoti." Ved at kombinere ordnede segmenter med uordnede segmenter er der en helt ny verden af ​​materialer, vi kan skabe med en smuk indre struktur uden at miste faseadfærden for det uordnede segment, og det er spændende. "