Probiotiske hydrogeler heler tarmsår, andre bandager ikke kan nå

Udvendige sår såsom hudsår eller hudafskrabninger kan ofte nemt dækkes med et simpelt plaster eller et større sårplaster for at beskytte dem og lette deres heling. Når det kommer til nogle indre overflader som dem i tarmen, der er belagt med et slimlag, imidlertid, sådanne konventionelle sårhelende materialer er ineffektive, fordi slimet hindrer deres faste vedhæftning og hurtigt fører dem væk fra sårstedet.

Nu, forskere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en løsning på dette problem i form af probiotiske hydrogeler lavet af mucoadhæsive nanofibre og produceret af en konstrueret naturlig tarmbakterie. Hydrogelerne kan let fremstilles fra bakteriekulturer og påføres som længerevarende selvregenererende "levende geler" eller kortere "cellefrie geler" på tarmoverflader via sprøjter, spray, og endoskopiske teknikker til at tilvejebringe en forsegling. Undersøgelsen er publiceret i Avancerede materialer .

"Denne nye type konstrueret levende materiale med dets lette produktion og opbevaring, biokompatibilitet, og mucoadhæsive egenskaber kunne være en døråbner for bioaktive sårhelingsstrategier til brug i den menneskelige tarmlumen, " sagde Neel Joshi, som er kernefakultetsmedlem ved Wyss Institute og lektor ved SEAS. "Vi kan i det væsentlige programmere det normale nanofiberproducerende molekylære maskineri af ikke-patogene E coli at producere hydrogeler, der har en viskositet, der ligner slims, og med mucoadhæsive evner indbygget i dem; og deres modularitet kunne give os mulighed for at tune dem til at matche specifikke sektioner af mave-tarmkanalen med deres individuelle slimsammensætninger og strukturer."

Joshi's og andre laboratorier har tidligere udnyttet commensale stammer af E coli at udskille biofilmdannende nanofibre, og som levende støberier til fremstilling af lægemidler, fine kemikalier, eller stoffer, der kan hjælpe med miljøsanering ved at konstruere det CsgA-protein, som bakterierne udskiller, som selv samler sig til curli nanofibre i det ekstracellulære miljø. I disse tidligere ansøgninger, CsgA blev modificeret for at muliggøre yderligere enzymatiske eller strukturelle funktioner, såsom udførelsen af ​​en kemisk reaktion, der kræves til syntesen af ​​et lægemiddel eller kemikalie. Imidlertid, curli nanofiber-baserede materialer er hidtil ikke blevet udviklet til direkte brug som terapeutika.

"Naturligt producerede biofilm er kendt for at hindre sårhelingsprocesser op til et punkt, hvor de skal styres aktivt af læger i sundhedssektoren. Vi har i det væsentlige hacket et af de kernemaskineri, der producerer dem med det langsigtede mål at gøre præcis det modsatte , at producere materialer, der kan understøtte sårheling i et miljø, der er utilgængeligt for andre materialer, " sagde førsteforfatter Anna Duraj-Thatte, som er en Graduate School of Arts and Sciences postdoc-stipendiat på Joshis hold.

For at muliggøre dannelsen af ​​ekstracellulære hydrogeler, forskerne programmerede en ikke-patogen stamme af tarmbakterien E coli at syntetisere en variant af CsgA curli-proteinet, der er fusioneret til det slimbindende domæne fra humane trefoil-faktorer (TFF'er). TFF'er co-udskilles af slimproducerende celler for at beskytte slimhindeepitel mod en række fornærmelser, og hjælpe dem med at reparere skader. Et simpelt filtreringstrin muliggør ren adskillelse af den levende bakterieholdige hydrogel fra resten af ​​kulturen, mens de cellefri geler kræver et ekstra trin, hvor bakterierne dræbes med en simpel kemisk behandling. "Vi tror, ​​at tilstedeværelsen af ​​TFF-domænerne gør det muligt for forskellige curli-fibre at krydsbinde til hinanden og danne et vandlagrende mesh, og demonstrerede, at de nøjagtige hydrogelegenskaber afhænger af den anvendte type TFF, " sagde Duraj-Thatte.

Samarbejde med Jeffrey Karp og instruktør i medicin Yuhan Lee på Brigham and Women's Hospital, holdet testede specificiteten af ​​vævsadhæsion baseret på typen af ​​vedhæftede domæner i hydrogelen. Da TFF'er blev præsenteret på hydrogelerne, de forbedrede kun adhæsion til den lumen-eksponerede slimhindeoverflade af en gedetyktarmsvævsprøve. Alternativt når et domæne binder til fibronectinprotein - som ikke findes på slimhinden, men på den udadvendte serosale overflade af tyktarmen - hydrogelerne klæbet i stedet fortrinsvis til den serosale side af tyktarmsvævsprøven.

"Da hydrogeler med forskellige TFF-domæner nemt kan sprøjtes på vævsoverflader med kontrollerbar vedhæftning og funktionel aktivitet, vi forestiller os deres potentielle brug i endoskopiske procedurer til behandling af tarmsygdomme, like a spray-on bandage, " said Karp, who is a professor of medicine at Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School.

When given orally to mice, the cell-containing live gels could withstand the harsh pH and digestive conditions of the stomach and small intestine to reach the cecum with the bacteria intact. The team also found that hydrogels bearing one particular TFF domain (TFF2) enhanced retention of the material in the colon. "The presence of bacteria in live gels prolonged their residency times in the gut from one day to at least five days due to the bacteria's ability to continuously regenerate the curli fiber networks that are decorated with TFFs, without affecting the health of mice in any obvious way, " sagde Joshi.

"This is a great example of synthetic biology-based jujutsu in which Joshi's team took a major problem created by bacteria—the biofilms they create that are so difficult to access and remove—and then flipped the problem on its head through genetic engineering so that the biofilm now essentially becomes a healing Band-aid for our gut. It's an amazing example of biologically inspired engineering at its best, " said Wyss Director Donald Ingber, the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as professor of bioengineering at SEAS.

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.