Nye hydrogeler visner, mens stamceller blomstrer til vævsreparation

Babybleer, kontaktlinser og gelatinedessert. Selvom det tilsyneladende ikke er relateret, disse genstande har én ting til fælles - de er lavet af stærkt absorberende stoffer kaldet hydrogeler, der har alsidige anvendelser. For nylig, en type biologisk nedbrydelig hydrogel, kaldet mikroporøs udglødet partikel (MAP) hydrogel, har fået stor opmærksomhed for sit potentiale til at levere stamceller til kropsvævsreparation. Men det er i øjeblikket uklart, hvordan disse gelélignende materialer påvirker væksten af ​​deres dyrebare cellulære last, derved begrænse dets anvendelse i regenerativ medicin.

I en ny undersøgelse offentliggjort i novemberudgaven af Acta Biomaterialia , forskere ved Texas A&M University har vist, at MAP hydrogeler, programmeret til at bionedbrydes i et optimalt tempo, skabe et frugtbart miljø for knoglestamceller til at trives og proliferere kraftigt. De fandt ud af, at rummet skabt af MAP-hydrogelernes visnelse skaber plads til stamcellerne til at vokse, spredes og danner indviklede mobilnetværk.

"Vores forskning viser nu, at stamceller blomstrer på nedbrydende MAP-hydrogeler; de ombygger også deres lokale miljø for bedre at passe til deres behov, " sagde Dr. Daniel Alge, adjunkt ved Institut for Biomedicinsk Teknik. "Disse resultater har vigtige implikationer for udvikling af MAP hydrogel-baserede leveringssystemer, især til regenerativ medicin, hvor vi ønsker at levere celler, der vil erstatte beskadiget væv med nye og sunde."

MAP hydrogeler er en nyere race af injicerbare hydrogeler. Disse bløde materialer er indbyrdes forbundne kæder af ekstremt små perler lavet af polyethylenglycol, en syntetisk polymer. Selvom mikroperlerne ikke selv kan klamre sig til celler, de kan konstrueres til at præsentere cellebindende proteiner, som derefter kan binde sig til receptormolekyler på stamcellernes overflade.

Når de er fastgjort til mikroperlerne, stamcellerne bruger rummet mellem sfærerne til at vokse og omdannes til specialiserede celler, som knogle- eller hudceller. Også, når der er en skade, MAP hydrogeler kan bruges til at levere disse nye celler for at hjælpe væv med at regenerere.

Imidlertid, stamcellernes sundhed og adfærd i MAP-hydrogelmiljøet er aldrig blevet fuldt ud undersøgt.

"MAP hydrogeler har overlegne mekaniske og biokompatible egenskaber, så i princippet de er en fantastisk platform til at dyrke og vedligeholde stamceller, " sagde Alge. "Men folk i marken har virkelig ikke en god forståelse af, hvordan stamceller opfører sig i disse materialer."

For at besvare dette spørgsmål, forskerne studerede væksten, spredning og funktion af knoglestamceller i MAP hydrogeler. Alge og hans team brugte tre prøver af MAP-hydrogeler, der kun adskilte sig i den hastighed, hvormed de nedbrydes, det er, enten langsomt, hurtigt eller slet ikke.

Først, for stamcellerne til at binde sig til MAP-hydrogelerne, forskerne dekorerede MAP-hydrogelerne med en type cellebindende protein. De sporede derefter stamcellerne, mens de voksede ved hjælp af en høj opløsning, fluorescerende mikroskop. Forskerne gentog også det samme eksperiment med et andet cellebindende protein til at undersøge, om cellebindende proteiner også påvirkede stamcelleudviklingen i hydrogelerne.

Til deres overraskelse, Alges team fandt ud af, at for begge typer cellebindende proteiner, de MAP-hydrogeler, der nedbrydes hurtigst, havde den største population af stamceller. Desuden, cellerne ændrede formen på MAP-hydrogelen, da de spredte sig og gjorde krav på mere territorium.

"I den intakte MAP hydrogel, vi kunne stadig se de sfæriske mikroperler og materialet var ret ubeskadiget, sagde Alge. Derimod, cellerne lavede kamme og riller i de nedbrydende MAP-hydrogeler, dynamisk ombygning af deres miljø."

Forskerne fandt også ud af, at efterhånden som stamcellerne voksede, mængden af ​​knogleproteiner produceret af de voksende stamceller afhang af hvilket cellebindende protein der oprindeligt blev brugt i MAP-hydrogelen.

Alge bemærkede, at indsigten opnået gennem deres undersøgelse i høj grad vil informere yderligere forskning og udvikling i MAP-hydrogeler til stamcelleterapier.

"Selvom MAP hydrogel-nedbrydelighed i høj grad påvirker væksten af ​​stamcellerne, vi fandt ud af, at samspillet mellem de cellebindende proteiner og nedbrydningen også er vigtigt, " sagde han. "Som vi, som et felt, gøre fremskridt i retning af at udvikle nye MAP-hydrogeler til vævsteknologi, vi skal se på virkningerne af både nedbrydelighed og cellebindende proteiner for bedst muligt at udnytte disse materialer til regenerativ medicin."