Biokonstrueret hybrid muskelfiber til regenerativ medicin

Muskler udgør det største organ hos mennesker, tegner sig for 40% af kropsmassen, og det spiller en væsentlig rolle i at opretholde livet. Muskelvæv er bemærkelsesværdigt for dets unikke evne til spontan regenerering. Imidlertid, ved alvorlige skader, såsom dem, der pådrages i bilulykker eller tumorresektion, som resulterer i et volumetrisk muskeltab (VML), musklens evne til at restituere er stærkt forringet. I øjeblikket, VML-behandlinger omfatter kirurgiske indgreb med autologe muskelflapper eller grafts ledsaget af fysioterapi. Imidlertid, kirurgiske indgreb fører ofte til nedsat muskelfunktion, og i nogle tilfælde resultere i fuldstændig transplantationsfejl. Dermed, der er efterspørgsel efter yderligere terapeutiske muligheder for at forbedre genopretningen af ​​muskeltab.

En lovende strategi til at forbedre den beskadigede muskels funktionelle kapacitet er at inducere de novo regenerering af skeletmuskulatur via integration af transplanterede celler. Forskellige typer celler, herunder satellitceller (muskelstamceller), myoblaster, og mesenkymale stamceller, er blevet brugt til at behandle muskeltab. Imidlertid, invasive muskelbiopsier, dårlig celletilgængelighed, og begrænset langsigtet vedligeholdelse hæmmer klinisk oversættelse, hvor millioner til milliarder af modne celler kan være nødvendige for at give terapeutiske fordele.

Et andet vigtigt spørgsmål er at kontrollere det tredimensionelle mikromiljø på skadestedet for at sikre, at de transplanterede celler korrekt differentieres til muskelvæv med ønskværdige strukturer. En række naturlige og syntetiske biomaterialer er blevet brugt til at forbedre overlevelsen og modningen af ​​transplanterede celler, mens de rekrutterer værtsceller til muskelregenerering. Imidlertid, der er uløste, langvarige dilemmaer i udvikling af vævsstilladser. Naturlige stilladser udviser høj cellegenkendelse og cellebindingsaffinitet, men formår ofte ikke at give mekanisk robusthed i store læsioner eller belastningsbærende væv, der kræver langvarig mekanisk støtte. I modsætning, syntetiske stilladser giver et præcist konstrueret alternativ med justerbare mekaniske og fysiske egenskaber, samt skræddersyede strukturer og biokemiske sammensætninger, men er ofte hæmmet af manglende cellerekruttering og dårlig integration med værtsvæv.

For at overkomme disse udfordringer, et forskerhold ved Center for Nanomedicin i Institute for Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea, Yonsei Universitet, og Massachusetts Institute of Technology (MIT) udtænkte en ny protokol for kunstig muskelregenerering. Holdet opnåede effektiv behandling af VML i en musemodel ved at anvende direkte celleomprogrammeringsteknologi i kombination med et naturligt-syntetisk hybrid stillads.

Direkte celle omprogrammering, også kaldet direkte konvertering, er en effektiv strategi, der giver effektiv celleterapi, fordi den tillader hurtig generering af patientspecifikke målceller ved hjælp af autologe celler fra vævsbiopsien. Fibroblaster er de celler, der almindeligvis findes i bindevævet, og de er i vid udstrækning involveret i sårheling. Da fibroblasterne ikke er terminalt differentierede celler, det er muligt at omdanne dem til inducerede myogene progenitorceller (iMPC'er) ved hjælp af flere forskellige transkriptionsfaktorer. Heri, denne strategi blev anvendt til at levere iMPC til muskelvævsteknologi.

For at give strukturel støtte til de prolifererende muskelceller, polycaprolacton (PCL), blev valgt som materiale til fremstilling af et porøst stillads på grund af dets høje biokompatibilitet. Mens saltudvaskning er en meget brugt metode til at skabe porøse materialer, det er for det meste begrænset til at producere lukkede porøse strukturer. For at overvinde denne begrænsning, forskerne udvidede den konventionelle saltudvaskningsmetode med termisk tegning for at fremstille skræddersyede PCL-fiberstilladser. Denne teknik lettede højkapacitetsfremstilling af porøse fibre med kontrolleret stivhed, porøsitet, og dimensioner, der muliggør præcis tilpasning af stilladserne til skadestederne.

Imidlertid, de syntetiske PCL fiber stilladser alene giver ikke optimale biokemiske og lokale mekaniske signaler, der efterligner muskelspecifikke mikromiljøer. Derfor blev konstruktionen af ​​et hybrid stillads fuldført gennem inkorporering af decellulariseret muskel ekstracellulær matrix (MEM) hydrogel i PCL-strukturen. I øjeblikket, MEM er et af de mest udbredte naturlige biomaterialer til behandling af VML i klinisk praksis. Dermed, forskerne mener, at hybridstilladser konstrueret med MEM har et stort potentiale i kliniske applikationer.

De resulterende biokonstruerede muskelfiberkonstruktioner viste mekanisk stivhed svarende til muskelvævets og udviste forbedret muskeldifferentiering og forlænget muskeljustering in vitro. Desuden, implantation of bioengineered muscle constructs in the VML mouse model not only promoted muscle regeneration with increased innervation and angiogenesis but also facilitated the functional recovery of damaged muscles. The research team notes:"The hybrid muscle construct might have guided the responses of exogenously added reprogrammed muscle cells and infiltrating host cell populations to enhance functional muscle regeneration by orchestrating differentiation, paracrine effect, and constructive tissue remodeling."

Prof. Cho Seung-Woo from the IBS Center for Nanomedicine and Yonsei University College of Life Science and Biotechnology who led this study notes, "Further studies are required to elucidate the mechanisms of muscle regeneration by our hybrid constructs and to empower the clinical translation of cell-instructive delivery platforms."