Forskere bruger molekylære tether og kemiske lyssabler til at konstruere platforme til vævsteknik

Vævsteknik kunne transformere medicin. I stedet for at vente på, at vores kroppe vokser igen eller reparerer skader efter en skade eller sygdom, videnskabsmænd kunne blive komplekse, fuldt funktionelle væv i et laboratorium til transplantation til patienter.

Proteiner er nøglen til denne fremtid. I vores kroppe, proteinsignaler fortæller cellerne, hvor de skal hen, hvornår man skal dele og hvad man skal gøre. I laboratoriet, forskere bruger proteiner til det samme formål - at placere proteiner på bestemte punkter på eller inden for konstruerede stilladser, og derefter bruge disse proteinsignaler til at kontrollere cellemigration, division og differentiering.

Men proteiner i disse indstillinger er også skrøbelige. For at få dem til at klæbe til stilladserne, forskere har traditionelt modificeret proteiner ved hjælp af kemi, der dræber mere end 90 procent af deres funktion. I et papir offentliggjort 20. maj i tidsskriftet Naturmaterialer , et team af forskere fra University of Washington afslørede en ny strategi for at holde proteiner intakte og funktionelle ved at ændre dem på et bestemt tidspunkt, så de kan bindes kemisk til stilladset ved hjælp af lys. Da tøjret også kan skæres af med laserlys, denne metode kan skabe udviklende mønstre af signalproteiner gennem et biomateriale stillads for at dyrke væv, der består af forskellige typer celler.

"Proteiner er de ultimative formidlere af biologisk information, " sagde den tilsvarende forfatter Cole DeForest, en UW assisterende professor i kemiteknik og bioteknik, samt en affiliate investigator med UW Institute for Stem Cell &Regenerative Medicine. "De driver stort set alle ændringer i cellefunktion - differentiering, bevægelse, vækst, død."

Af den grund, forskere har længe brugt proteiner til at kontrollere cellevækst og differentiering i vævsteknologi.

"Men den kemi, der oftest bruges af samfundet til at binde proteiner til materialer, herunder stilladser til vævsteknologi, ødelægge det overvældende flertal af deres funktion, " sagde DeForest, som også er fakultetsmedlem i UW Molecular &Engineering Sciences Institute. "Historisk set, forskere har forsøgt at kompensere for dette ved blot at overbelaste stilladset med proteiner, vel vidende, at de fleste af dem vil være inaktive. Her, Vi har fundet frem til en generaliserbar måde at funktionalisere biomaterialer reversibelt med proteiner og samtidig bevare deres fulde aktivitet."

Deres tilgang bruger et enzym kaldet sortase, som findes i mange bakterier, at tilføje et kort syntetisk peptid til hvert signalprotein på et specifikt sted:C-terminalen, et websted til stede på hvert protein. Holdet designer det peptid, så det vil binde signalproteinet til specifikke steder i et væskefyldt biomateriale-stillads, der er almindeligt inden for vævsteknologi, kendt som en hydrogel.

Målretning mod et enkelt sted på signalproteinet er det, der adskiller UW-teamets tilgang. Andre metoder modificerer signalproteiner ved at knytte kemiske grupper til tilfældige steder, hvilket ofte forstyrrer proteinets funktion. Ændring af blot C-terminalen af ​​proteinet er meget mindre tilbøjelig til at forstyrre dets funktion, ifølge DeForest. Holdet testede tilgangen på mere end et halvt dusin forskellige typer proteiner. Resultater viser, at ændring af C-terminalen ikke har nogen signifikant effekt på proteinfunktionen, og binder med succes proteinerne gennem hydrogelen.

Deres tilgang er analog med at hænge et stykke indrammet kunst på en væg. I stedet for at hamre søm tilfældigt gennem glasset, lærred og ramme, de snor en enkelt ledning hen over bagsiden af ​​hver ramme for at hænge den på væggen.

Ud over, tøjrene kan skæres ved at udsætte dem for fokuseret laserlys, forårsager "fotofrigivelse" af proteinerne. Ved at bruge denne videnskabelige lyssabel tillader forskerne at fylde en hydrogel med mange forskellige typer proteinsignaler, og udsæt derefter hydrogelen for laserlys for at fjerne proteiner fra visse dele af hydrogelen. Ved selektivt kun at udsætte dele af materialerne for laserlyset, holdet kontrollerede, hvor proteinsignaler ville forblive bundet til hydrogel.

Afbinding af proteiner er nyttig i hydrogeler, fordi celler derefter kan optage disse signaler, bringe dem ind i cellens indre, hvor de kan påvirke processer som genekspression.

DeForests team testede fotofrigivelsesprocessen ved hjælp af en hydrogel fyldt med epidermal vækstfaktor, en type proteinsignal. De introducerede en human cellelinje i hydrogelen og observerede vækstfaktorerne, der binder til cellemembranerne. Holdet brugte en laserstråle til at løsne proteinsignalerne på den ene side af en individuel celle, men ikke den anden side. På den forbundne side af cellen, proteinerne blev på ydersiden af ​​cellen, da de stadig sad fast på hydrogelen. På den ubundne side, proteinsignalerne blev internaliseret af cellen.

"Baseret på, hvordan vi målretter laserlyset, vi kan sikre, at forskellige celler - eller endda forskellige dele af enkeltceller - modtager forskellige miljøsignaler, " sagde DeForest.

Dette unikke niveau af præcision i en enkelt celle hjælper ikke kun med vævsteknologi, men med grundforskning i cellebiologi, tilføjet DeForest. Forskere kunne bruge denne platform til at studere, hvordan levende celler reagerer på flere kombinationer af proteinsignaler, for eksempel. Denne forskningslinje ville hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan proteinsignaler arbejder sammen for at kontrollere celledifferentiering, helbrede sygt væv og fremme menneskelig udvikling.

"Denne platform giver os mulighed for præcist at kontrollere, hvornår og hvor bioaktive proteinsignaler præsenteres for celler i materialer, " sagde DeForest. "Det åbner døren til mange spændende anvendelser inden for vævsteknologi og terapeutisk forskning."