Ny metode til at styrke hydrogeler kan styre stamcellevækst

En ny metode til at manipulere de gel-lignende miljøer, der huser stamceller, kunne hjælpe forskere med at lede væksten af ​​disse alsidige celler ind i knogler, sene, væv eller andre specifikke afstamninger, siger en biomedicinsk ingeniør fra Texas A&M University, som har udviklet tilgangen.

Arbejde med kollagenbaserede hydrogeler, som er biologisk nedbrydelige geler, der anvendes i en række biomedicinske anvendelser på grund af deres kompatibilitet med kroppen og dens processer, Akhilesh Gaharwar har udviklet en metode til at modulere deres stivhed uden at påvirke kemi eller struktur - et resultat, der kan have store konsekvenser for stamcelleforskning. Gaharwar, adjunkt ved universitetets Institut for Biomedicinsk Teknik, har offentliggjort sine resultater i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano . Hele artiklen kan tilgås på pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b03918.

Specifikt, Gaharwar har været i stand til at øge en hydrogels stivhed med 10 gange og dens sejhed med 20 gange gennem en proces, hvor han tilføjer en lille mængde sfærisk, magnetiske nanopartikler til de kollagenbaserede hydrogeler. Hele processen er færdig på få sekunder, og det gør det muligt for ham at tilpasse gelen i varierende grad af stivhed og sejhed, afhængig af mængden af ​​nanopartikler i materialet, Siger Gaharwar.

Processen, tilføjer han, har en anden klar fordel:den er cellevenlig. Fordi Gaharwar bruger ekstremt lave koncentrationer af nanopartikler, hans proces ændrer ikke væsentligt den kemiske sammensætning af hydrogelen.

Kontrol af de fysiske egenskaber af hydrogeler, Gaharwar forklarer, er afgørende, fordi disse geler skal være holdbare, samtidig med at de matcher egenskaberne af det væv, de simulerer, når de udsættes i kroppen – f.eks. når de fungerer som stilladser, der hjælper med helbredelse af indre skader. Det er blot en af ​​en lang række biomedicinske anvendelser, som Gaharwars hydrogel kan påvirke. Ud over vævstekniske applikationer, Gaharwar's mekanisk forbedrede hydrogel kunne fremme fremgangsmåder til levering af lægemidler, biosensorer og andre teknologier, men det kunne spille en endnu vigtigere rolle som et værktøj til at lære om stamceller, han siger. Systemet, han forklarer, kunne sætte forskere i stand til bedre at forstå, hvordan stamceller opfører sig og endda kontrollere, hvordan de differentieres til bestemte celletyper.

Kendt for deres evne til at udvikle sig til forskellige celletyper – såsom en muskel, blod- eller hjerneceller – stamceller har potentialet til at fungere som et internt reparationssystem, genopfyldning af andre celler. Nøglen til denne transformation, Gaharwar bemærker, er mikromiljøet omkring stamcellerne. Afhængigt af hvor disse stamceller er placeret i kroppen, disse celler vil transformere til forskellige celletyper, forklarer han. For eksempel, stamceller, der strækkes i stivere miljøer, kan i sidste ende vokse til knogleceller, hvorimod stamceller, der forbliver runde i blødere omgivelser, kan udvikle sig til brusk. Tænk på det som en slags dominoeffekt:stamcellens mikromiljø påvirker dens form, og stamcellens form påvirker dens udvikling til en bestemt celletype. I betragtning af dette faktum, Gaharwar mener, at styring af stivheden i cellens miljø (i dette tilfælde en hydrogel, der omfatter stamceller) kan resultere i øget kontrol med stamcelledifferentiering.

at kontrollere det miljø, Gaharwar siger, opnås gennem en proces kendt som tværbinding. Tværbinding, han forklarer, involverer at forbinde de polymere kæder, der udgør en hydrogel, så de danner et indbyrdes forbundet netværk, der dybest set tjener en rygrad for gelen og, som resultat, øger dens stivhed. At slutte sig til disse kæder kræver Gaharwars nanopartikler, som tjener som en slags mørtel ved at forbinde disse kæder på molekylært niveau. Disse sfæriske, jernoxid nanopartikler, som har fået deres overflader ændret af Gaharwar og hans team, har flere konjugationspunkter, hvor de polymere kæder binder sig ved at danne stærke kemiske bindinger, han siger. Når dette sker, et netværk af kæder dannes og hydrogelen forstærkes, han siger.

Andre standardteknologier, der gør brug af forskellige nanopartikler, resulterer ikke i det samme niveau af mekanisk stivhed, fordi nanopartiklerne ikke kemisk interagerer med de polymere kæder i gelen; de er bare fanget, Gaharwar forklarer. Hvad mere er, de tilgange, der opnår en vis grad af stivhed, producerer ofte et ikke-venligt miljø for cellen, der resulterer i celledød på grund af høje koncentrationer af forstærkningsmidlet, han siger. Gaharwars tilgang overvinder denne udfordring ved at bruge en 10, 000 gange mindre koncentration af nanopartikler.

"Ved at tilføje en lille koncentration af nanopartikler, vi kan få en drastisk stigning eller fald i hydrogelens fysiske egenskaber, " siger Gaharwar. "Ved at ændre størrelsen og koncentrationen af ​​nanopartiklerne, vi kan få hydrogeler, der spænder fra en kilopascal til 200 kilopascal."

drevet af de lovende indledende resultater, han og hans team har opnået, Gaharwar planlægger at fortsætte arbejdet med den forbedrede hydrogel for at afgøre, om den faktisk kan udløse en differentiering i stamceller. Disse celler, han forklarer, behov for at opleve et dynamisk miljø (som de ville i kroppen), hvor forskellige grader af kraft påføres gennem hydrogelen og opleves af cellerne i den. I den næste fase af forskningen har teamet, han siger, håber at introducere disse eksterne stimuli med en bioreaktor, så der kan udføres mere dybdegående undersøgelser.