Ingeniørforskere udvikler porøse nanopartikler til regenerativ medicin

Stamceller kan udvikle sig til mange forskellige typer celler i kroppen. For eksempel, når en person kommer til skade, kommer stamceller til skadestedet og hjælper med at helbrede beskadiget væv. Ny nanoteknologi udviklet af et team af forskere fra Texas A&M University kunne udnytte kroppens regenerative potentiale ved at lede stamceller til at danne knoglevæv.

Akhilesh K. Gaharwar, lektor og Presidential Impact Fellow i Department of Biomedical Engineering og en fellow fra American Institute for Medical and Biological Engineering, leder holdet. Forskerne har udviklet vandstabile, 2D covalent organic framework (COF) nanopartikler, der kan dirigere differentieringen af ​​humane mesenkymale stamceller til knogleceller.

Der er givet betydelig forskningsmæssig opmærksomhed til 2D COF'er - porøse organiske polymerer - på grund af deres krystallinitet, ordnede og afstembare porøse struktur og høje specifikke overfladeareal. Imidlertid har vanskeligheden ved at forarbejde COF'er til materialer i nanostørrelse - sammen med deres dårlige stabilitet - begrænset deres anvendelse i regenerativ medicin og lægemiddellevering. Der er behov for nye tilgange, der giver disse COF'er tilstrækkelig fysiologisk stabilitet, mens de bibeholder deres biokompatibilitet.

Gaharwars team har forbedret den hydrolytiske (vand) stabilitet af COF'er ved at integrere dem med amfifile polymerer, som er makromolekyler, der indeholder både hydrofobe og hydrofile komponenter. Denne tilgang, som ikke er blevet rapporteret tidligere, giver COF'er vanddispergerbarhed, hvilket muliggør biomedicinsk anvendelse af disse nanopartikler.

"Så vidt vi ved, er dette den første rapport, der viser COF'ers evne til at lede stamceller mod knoglevæv," sagde Gaharwar. "Denne nye teknologi har potentiale til at påvirke behandlingen af ​​knogleregenerering."

Forskerne fandt ud af, at 2D COF'er ikke påvirker en celles levedygtighed og spredning, selv ved højere koncentrationer. De observerede, at disse 2D COF'er udviser bioaktivitet og dirigerer stamceller mod knogleceller. Den foreløbige undersøgelse indikerede, at formen og størrelsen af ​​disse nanopartikler kan bibringe denne bioaktivitet, og yderligere dybdegående undersøgelser skal udføres for mekanistisk indsigt.

Disse nanopartikler er meget porøse, og Gaharwars team har udnyttet denne unikke egenskab til lægemiddellevering. De var i stand til at indlæse et osteo-inducerende lægemiddel kaldet dexamethason i den porøse struktur af COF for yderligere at forbedre knogledannelsen.

"Disse nanopartikler kan forlænge leveringen af ​​lægemidler til humane mesenkymale stamceller, som almindeligvis bruges til knogleregenerering," sagde Sukanya Bhunia, seniorforfatter af undersøgelsen og postdoc associeret i den biomedicinske ingeniørafdeling. "Den vedvarende levering af lægemidlet resulterede i øget stamcelledifferentiering mod knoglelinje, og denne teknik kan bruges til knogleregenerering."

Gaharwar bemærkede, at efter at have leveret et proof-of-concept, vil holdets næste skridt i deres forskning være at evaluere denne nanoteknologi i en syg model.

Disse resultater er vigtige for det fremtidige design af biomaterialer, der kan give anvisninger for vævsregenerering og lægemiddelleveringsapplikationer.

Resultaterne blev offentliggjort i Advanced Healthcare Materials tidsskrift. Andre forskningsbidragydere er Manish Jaiswal, Kanwar Abhay Singh og Kaivalya Deo fra den biomedicinske ingeniørafdeling på Texas A&M. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler ny terapeutisk tilgang til behandling af slidgigt