Spaghetti-motorvej til celler:Nudelformet streng af justerede nanofibre lover bedre vævsregenerering

(PhysOrg.com) - Et stort spørgsmål inden for regenerativ medicin er, hvordan man mest effektivt leverer stamceller - såvel som andre gavnlige celler, proteiner og store molekyler - til beskadiget væv såsom rygmarven, hjerte og hjerne.

Et team fra Northwestern University er det første til at demonstrere en metode, der leverer celler i samme justering som cellerne fundet i disse væv, som kunne sætte gang i ny vækst og heling. Resultaterne offentliggøres som omslagshistorie i tidsskriftet juli Naturmaterialer .

I undersøgelsen, forskerne producerede centimeterlange gel-"strenge" af justerede nanofibre indeholdende levende celler justeret på lineær måde. Disse strenge af celler, som er fleksible, biologisk nedbrydelig og kan laves i forskellige længder og bredder, kunne placeres kirurgisk på beskadiget væv, hvor de ville holde sig naturligt.

"Vi har opdaget, hvordan man justerer nanoskala filamenter med den menneskelige hånd over lange afstande, producere et stillads, som vi kan befolke med celler, proteiner eller andre store molekyler, sagde Samuel I. Stupp, avisens seniorforfatter, Bestyrelsen professor i kemi, Materialevidenskab og teknik, og medicin, og direktør for Institut for BioNanoteknologi i Medicin (IBNAM).

Cellerne, proteiner eller andre molekyler bevæger sig gennem den nudelformede streng, parallelt med strengens vægge og meget som køretøjer på en motorvej, og sprede enderne ud til vævet. "Det er en meget retningsbestemt levering, hvilket øger chancerne for vellykket regenerering, " sagde Stupp. "Vi matcher morfologien af ​​naturlige væv."

Metoden har allerede vist lovende med hensyn til at accelerere vævsregenerering. En nylig undersøgelse, ledet af Carol Podlasek, assisterende professor i urologi ved Northwesterns Feinberg School of Medicine, viste en kritisk nerve, der ofte blev beskadiget under prostatakirurgi for at fjerne en kræftkirtel, regenererer hurtigere, når et specielt protein leveres til nerven via Stupps nudelgel.

Stupp samarbejder med andre forskere om undersøgelser, der bruger nudelgelen til stamcellelevering. Et projekt med H. Georg Kuhn fra Center for Brain Repair i Gøteborg, Sverige, vil fokusere på brugen af ​​de tilpassede strukturer som motorveje til at omdirigere stamceller fra én del af hjernen, hvor de er rigelige, til andre, hvor de kan være nødvendige for at helbrede sygdomme, såsom Parkinsons sygdom. Stupp og John A. Kessler, Ken og Ruth Davee professor i stamcellebiologi ved Feinberg, undersøger brugen af ​​bioaktive former for nudelgelen som en strategi til at vende lammelser ved kroniske rygmarvsskader.

For at skabe nudelgelen, Stupp og hans team starter med aggregater af specialdesignede peptid amfifile molekyler i vand. Opvarmning af opløsningen får dem til at dukke op i todimensionale flade ark suspenderet i vand. Når den er afkølet, arkene bryder spontant i bundter af fibre, danner irreversibelt en usædvanlig flydende krystal. Forskerne blander derefter celler ind i den flydende krystal og, ved hjælp af en pipette, træk væsken i hånden hen over en saltopløsning. Væsken gelerer straks; resultatet er en snor formet som et stykke kogt spaghetti og sammensat af justerede nanofibre med enorme populationer af indkapslede celler.

Som en del af undersøgelsen, forskerne indkapslede hjerteceller i den nudellignende streng og målte de elektriske signaler. Signalerne flød fra den ene ende af strengen til den anden i millisekunder -- som en ledning, men af ​​celler, ikke metal. Dette demonstrerer potentialet for, at den tilpassede nanofibergel kan bruges til langtrækkende signaltransmission i store organer i kroppen.

Denne nye metode er mindre skadelig for levende celler end eksisterende metoder til at skabe tilpassede fibre over lange afstande, som typisk er afhængige af elektriske eller mekaniske kræfter.

Den blide kraft af en menneskehånd, der trækker den flydende krystal hen over en overflade, justerer fibrene i én retning; en saltopløsning kan øjeblikkeligt fryse justeringen, før uorden sætter ind. Stupp og medforfatter Monica Olvera de la Cruz, en advokat Taylor professor og professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science, tro på de usædvanlige flydende krystalformer som et resultat af et fænomen, de beskriver som "todimensionel Rayleigh-ustabilitet." Den lette justering af filamenter i nanoskala kan også bruges til at justere kulstofnanorørene, som vist i undersøgelsen, eller andre ledende strukturer af interesse i ikke-biologiske elektroniske applikationer.