Forvandling af stamceller til knogler med nanolerforstærket hydrogel

Adjunkt Alireza Dolatshahi-Pirouz og kolleger har udviklet en hydrogel, der kombinerer syntetiske materialer med levende celler, og kan omdanne stamceller til knogler uden at tilføje eksterne vækst- eller differentieringsfaktorer.

Mere end 50 procent af kvinderne og 20 procent af mændene over 50 år vil opleve et knoglebrud i løbet af deres levetid. En måde at forhindre disse brud på - især i de mest følsomme dele af skelettet - er levering af stamceller ved hjælp af en injicerbar bærer, som beskytter cellerne på vej ind i kroppen. Ved at bruge en systematisk kombinatorisk tilgang, forskerholdet har testet 63 forskellige nanomanipulerede hydrogeler, og introducerede et optimalt biomateriale, der ikke kun beskytter cellerne, men også lette den spontane differentiering af stamcellerne til knogleceller. Normalt eksterne vækstfaktorer og differentieringsfaktorer, som både kan være giftigt for kroppen og også ret dyrt, er nødvendige for at omdanne stamceller til den ønskede type celler.

Lindring til osteoporosepatienter

Osteoporose får knoglerne til at blive skøre og skrøbelige på grund af tab af tæthed. Patienter med denne type sygdom kan i fremtiden drage fordel af den nanorforstærkede hydrogel. Alireza Dolatshahi-Pirouz forklarer:"Knogle er et dynamisk væv, der konstant bliver bygget, brudt ned og genopbygget i en proces kaldet ombygning. Denne proces styres af mange interagerende faktorer, og når først denne balance er forstyrret, problemet opstår. Når vi bliver ældre er en sådan ubalance ofte forårsaget af hormonelle ændringer, og intensiveres ved, at vores celler bliver mindre effektive og færre i antal. Ideen bag dette nye system er at bringe et semisyntetisk stillads ind i kroppen, der tiltrækker stamceller og leverer kravene til at omdanne dem til knogleceller, og derved, bringe balancen tilbage til knogleombygningscyklussen."

63 kombinationer blev testet

For at danne hydrogelen, holdet har tværbundet hyaluronsyre, som er et kulhydrat, der findes i de fleste menneskelige væv og er meget brugt i vævsteknologi. Denne hydrogel i sig selv har nogle ulemper, den er skør, har dårlige bærende egenskaber, og kan ikke modstå meget ydre kraft eller stød.

For at skabe et stærkere og mere holdbart materiale, hyaluronsyre blev kombineret med et alginat netværk og yderligere forstærket med ler nanomaterialer. En sådan kombination fører til en meget sejere hydrogel med den rette stivhed, som stadig er porøs nok til at opretholde transporten af ​​næringsstoffer gennem hydrogelen.

De mest lovende kombinationer blev testet med hensyn til deres evne til at danne nye knogleceller, og in vitro undersøgelser viste, at hydrogelerne var i stand til at danne mineraliseret knogle i et differentieringsfaktorfrit miljø. Resultaterne afslørede, at når disse cellefyldte hydrogeler blev deponeret i en in vitro model knogledefekt, der opstod ny knogledannelse, der klæbede tæt til knogledefekten. "Vi mener, at de specifikke nanolermaterialer, vi bruger, giver den nødvendige mineralsammensætning, og give anledning til transformation af stamceller til knoglevæv, " siger Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Det næste skridt

Kliniske forsøg er i gang med samarbejdspartnere i Spanien, hvor cellefri hydrogeler implanteres i kroppen. Tanken er, at hydrogelerne vil tiltrække stamceller i kroppen, og tjene som små fabrikker, der producerer foryngede og mere effektive stamceller. "Det kunne også være rigtig fedt at inkorporere elektronik i hydrogelen for at overvåge, hvad der foregår i kroppen, for eksempel i knogledefekten, og hvis tingene ikke skrider frem efter planen, vi kunne stimulere hydrogelen gennem den elektroniske grænseflade for at tiltrække flere stamceller eller stimulere cellerne mere effektivt. Som sådan, vi ville skabe en feed-back loop til at overvåge fremskridt og stimulere systemet afhængigt af feedback, "Adjunkt Alireza Dolatshahi-Pirouz tilføjede.

Resultaterne blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader i et papir med titlen "Kombinatorisk screening af nanoclay-forstærkede hydrogeler:et glimt af den "hellige gral" i ortopædisk stamcelleterapi?"