Forskere afslører molekylære mekanismer bag effekter af MXene nanopartikler på muskelregenerering

Vævsteknologi, som involverer brugen af ​​transplantater eller stilladser til at hjælpe celleregenerering, er ved at dukke op som en vigtig medicinsk praksis til behandling af volumetrisk muskeltab (VML), en tilstand, hvor en betydelig mængde muskelvæv går tabt ud over kroppens naturlige regenerative kapacitet. For at forbedre kirurgiske resultater viger traditionelle muskeltransplantater plads til kunstige stilladsmaterialer, hvor MXene nanopartikler (NP'er) skiller sig ud som en lovende mulighed.

MXene NP'er er 2D-materialer primært sammensat af overgangsmetalcarbider og nitrid. De er stærkt elektrisk ledende, kan rumme en lang række funktionelle grupper og har stablede strukturer, der fremmer celleinteraktioner og muskelvækst. Mens der har været praktiske demonstrationer i laboratoriet, der viser deres evne til at fremme genopbygningen af ​​skeletmuskler, er den specifikke mekanisme, hvormed de gør det, stadig uklar.

For at løse dette hul udviklede lektor Yun Hak Kim fra Institut for Anatomi og Institut for Biomedicinsk Informatik sammen med professorerne Suck Won Hong og Dong-Wook Han fra Institut for Cogno-Mekatronik Engineering ved Pusan ​​National University nanofibrøse matricer indeholdende MXene NP'er som stilladser. De brugte DNA-sekventering til at afsløre generne og biologiske veje aktiveret af MXene NP'er for at hjælpe med muskelregenerering.

Disse resultater, offentliggjort i Nano-Micro Letters , markerer et betydeligt fremskridt i brugen af ​​MXene stilladser til behandling af muskelskader.

"Denne opdagelse giver mulighed for at bruge disse materialer til at øge effektiviteten af ​​muskelvævsregenerering efter skade eller beskadigelse," forklarer professor Kim.

I den indledende fase skabte holdet en nanofibrøs PCM-matrix indeholdende poly(lactid-co-ε-caprolacton) (P), forstærket med kollagen (C) og Ti₃ C₂ T_x MXene nanopartikler (M). For at bestemme den specifikke effekt af MXene NP'er på muskelvækst, forberedte de tre kontroller:uberørt PLCL (P), PLCL med kollagen (PC) og PLCL med MXene (PM). Efter at have testet alle stilladserne på musemodeller med induceret volumetrisk muskeltab, observerede forskerne en signifikant stigning i det samlede antal muskelceller i PCM-behandlede mus sammenlignet med de andre grupper.

For at forstå, hvordan MXene nanopartikler (NP'er) påvirker muskelregenerering og vækst på molekylært niveau, introducerede forskerne C₂ C₁₂ myoblaster, som er forløbere for muskelceller, på PC- og PCM-matricer. Målet var at analysere forskellene i genekspressionsniveauer mellem de to matricer. Inden for PCM-matricen blev en øget produktion af inducerbar nitrogenoxidsyntase (iNOS) og serum/glucocorticoid-reguleret kinase 1 (SGK1) identificeret - to proteiner tæt forbundet med calciumsignalering og muskelregenerering.

Disse resultater tyder på, at MXener fremmer calciumion (Ca ²⁺ ) aflejring omkring celler. Dette øgede niveauet af intracellulær Ca ²⁺ udløser aktiveringen af ​​gener, der producerer iNOS- og SGK1-proteiner. SGK1 påvirker mTOR-AKT-vejen, fremmer celleproliferation, overlevelse og myogenese - omdannelsen af ​​myoblaster til muskelfibre. Samtidig øger iNOS produktionen af ​​nitrogenoxid (NO), hvilket bidrager til myoblastproliferation og muskelfiberfusion.

De kombinerede effekter fører til udvikling af modent muskelvæv. De tilpassede PCM nanofibrøse matricer tilbyder biofysiske signaler til intracellulær biokemisk signalering, der styrer myogen adfærd. Denne opdagelse bidrager til vores forståelse af MXenes potentiale til at genopbygge muskler og lover forfining af stilladsdesign for at forbedre denne proces yderligere.

"Inden for 5 til 10 år kan denne forskning give banebrydende behandlinger for muskelskader. MXene NP-infunderede matricer kan blive en rutine i medicinsk praksis for atleter, mennesker med muskelrelaterede lidelser og dem, der kommer sig efter muskelrelaterede traumer eller operationer, " siger prof. Kim. "Disse NP'er kan forbedre muskelregenereringsmetoder og tilbyde forbedrede resultater for rekonstruktive operationer og tilstande som muskeldystrofi, hvor muskelfunktionen er kompromitteret."

De MXene NP-infunderede matricer rummer potentiale for tilpasning til at imødekomme forskellige behov til behandling af muskeltabsskader. Denne tilpasning kan involvere justering af sammensætning, struktur eller egenskaber for at matche specifikke patientkrav, såsom størrelse, form eller forbedring af bioaktivitet. At skræddersy disse materialer kan tilbyde personlige løsninger til forskellige sværhedsgrader af muskeltab. Derudover kunne den observerede forbedrede muskelregenerering hjælpe med en mere effektiv restitution, hvilket potentielt reducerer rehabiliteringsbehov efter behandling.

Disse matricer med kontrollerbare mekaniske egenskaber lover at forbedre in vivo muskelregenerering. Yderligere forskning i MXene lover udvidede kliniske anvendelser, der potentielt gavner menneskers velvære.

Flere oplysninger: Moon Sung Kang et al., Højt justerede ternære nanofibermatricer fyldt med MXene Fremskynder regenerering af volumetrisk muskeltab, nano-mikrobogstaver (2024). DOI:10.1007/s40820-023-01293-1

Leveret af Pusan ​​National University