En dynamisk matrix med DNA-kodet viskoelasticitet for at understøtte udviklingen af ​​organoider og andet biologisk væv

I løbet af de sidste par årtier har materialeforskere og kemikere arbejdet på at designe stadig mere sofistikerede materialer til en bred vifte af teknologiske og videnskabelige anvendelser. Disse materialer omfatter syntetiske polymerer og hydrogeler, der kan indføres i den menneskelige krop som en del af medicinske indgreb.

Forskere ved Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Technische Universität Dresden og andre institutter i Tyskland har for nylig designet nye fuldsyntetiske materialer med en dynamisk DNA-tværbundet matrix, der kan vise sig nyttig til at skabe organoider (kunstige organer) og andre biomimetiske systemer . Disse materialer, introduceret i Nature Nanotechnology , er alsidige, programmerbare og relativt billige, hvilket gør dem fordelagtige til medicinsk og biologisk forskning.

"Polymerkemi kan skabe materialer med vidunderlige egenskaber," fortalte Elisha Krieg, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Tænk på hverdagsprodukter som legetøj og emballage, men også skudsikre veste, faldskærme, medicinske implantater osv. Men disse materialer er meget statiske - det er ikke nemt at ændre deres egenskaber, når de først er gået i stykker, kan de ikke hele sig selv, og deres egenskaber er svære at forudsige vores gruppe forsøger at lave materialer, der er mere beslægtet med levende stof:adaptive, selvhelbredende og programmeret til at opfylde specifikke funktioner."

Området DNA-nanoteknologi, som først blev etableret af Ned Seeman, fokuserer på design og fremstilling af kunstige DNA-strukturer med mulige biomedicinske og biofysiske anvendelser. Tidligere DNA-nanoteknologiske undersøgelser viste, at DNA kan omprogrammeres til at kontrollere stoffets egenskaber på nanometerskala.

Det nylige arbejde af Krieg og hans kollega Yu-Hsuan Peng bygger på tidligere forskningsindsats på dette område. Dens formål var at skabe en blød hydrogelmatrix, der kunne være vært for levende celler og således kunne bruges til at konstruere væv, organoider, medicinske implantater og andre biofysiske systemer.

"Vi håbede, at vi ved at bruge principper for DNA-nanoteknologi præcist kunne kontrollere egenskaberne af vores bløde materiale for optimalt at understøtte celler og guide deres udvikling," forklarede Krieg. "Vores mål var at skabe et materiale, der er fuldsyntetisk, biokompatibelt, og - vigtigst af alt - dets mekaniske opførsel skulle kunne justeres uden drastisk at ændre dets kemiske sammensætning. Sidst, men ikke mindst, var det vigtigt for os, at materialet var billigt, som vi håbede, at det ville blive anvendt af mange andre grupper i fremtiden."

For at skabe et materiale, der er alsidigt, syntetisk, biokompatibelt, programmerbart og økonomisk overkommeligt, fusionerede forskerne to forskellige komponenter. De første er tunge biologisk funktionelle polymerkæder.

"Disse polymerkæder tjener som et strukturelt stillads for materialet," sagde Krieg. "De har DNA-sidekæder, der tillader yderligere DNA-baserede moduler at integrere i materialet, tværbinde polymeren og supplere den med specifikke funktioner."

Den anden komponent af holdets materiale består af unikke DNA-moduler. Disse moduler er tilsluttet materialet for at programmere dets egenskaber og egenskaber, så det kan fungere på bestemte måder,

"En nøgleinnovation var vores brug af DNA-baserede 'biblioteker' - komplekse blandinger af DNA-strenge - som gør tværbinding meget effektiv," sagde Krieg. "DNA-bibliotekernes sekvenser kontrollerer også vigtige egenskaber ved materialet, såsom plasticiteten og stivheden ved forskellige temperaturer."

Den dynamiske DNA-tværbundne matrix skabt af Krieg og hans kolleger, døbt DyNAtrix, kunne bruges til at dyrke en række celler i et laboratoriemiljø, herunder menneskelige pluripotente stamceller og organoider. Bemærkelsesværdigt er deres materiale også selvhelbredende og kan nemt integreres med 3D-printteknologi for at producere en række komplekse 3D-væv og -strukturer.

"At dyrke celler i DyNAtrix kan hjælpe med at besvare spørgsmål inden for udviklingsbiologi, det kunne bruges til at dyrke væv til regenerativ medicin eller til at teste effekten af ​​specifikke lægemiddelkandidater med patient-afledte celler. Mit håb er, at teste lægemidler i en in vitro cellekultursystemet vil en dag helt erstatte dyreforsøg."

Det nye materiale introduceret af dette team af forskere har potentialet til snart at fremme biomekanisk, biofysisk og biomedicinsk forskning. DyNAtrix er fuldsyntetisk, programmerbar, nem at reproducere i stor skala og kan justeres med høj præcision. Det kunne også være lettere at bruge i kliniske omgivelser sammenlignet med materialer fra dyr, såsom Matrigel (dvs. en matrix udvundet fra musetumorceller, som ofte bruges til at dyrke celler i laboratoriet).

I deres næste undersøgelser planlægger Krieg, Peng og deres kolleger at undersøge de praktiske anvendelser af deres matrix yderligere. For eksempel vil de begynde at samarbejde med cellebiologer og hjælpe dem med at bruge DyNAtrix til at tackle specifikke forskningsproblemer.

"De justerbare mekaniske egenskaber af DyNAtrix gør det særligt interessant til at besvare spørgsmål inden for mekanobiologi, såsom:hvordan påvirker mekaniske egenskaber (stivhed, viskositet, plasticitet) udviklingen af ​​celler? Hvilken relevans har disse effekter i en levende organisme Hvilken relevans har de i sygdomme som kræft, og hvordan stimulerer det mekaniske miljø en reaktion i levende væv? Krieg tilføjede.

"Arbejdet i vores laboratorium er i øjeblikket fokuseret på at udvide mulighederne for DyNAtrix. For eksempel, ved at tilslutte fluorescerende kraftsensorer, håber vi, at mekaniske interaktioner mellem celler og deres omgivelser kan kvantificeres i mikroskopet."

DyNAtrix-matricen er stadig i de tidlige udviklingsstadier, da den stadig kræver, at forskere manuelt tilføjer DNA-moduler for at inducere ændringer i et materiales egenskaber. I fremtiden håber holdet at fremme dets sammensætning og ydeevne yderligere, for eksempel ved at bruge mere sofistikerede DNA-baserede reaktionsnetværk, der vil gøre det muligt for det selv at reagere på cellernes adfærd.

Flere oplysninger: Y.-H. Peng et al., Dynamiske matricer med DNA-kodet viskoelasticitet til celle- og organoidkultur, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

© 2023 Science X Network