Duke-onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van biomateriaal dat de genezing van de huid verbetert

9 november 2020

DURHAM – Onderzoekers van Duke University en de University of California, Los Angeles hebben een biomateriaal ontwikkeld dat de littekenvorming na verwonding aanzienlijk vermindert, wat leidt tot een effectievere huidgenezing. Dit nieuwe materiaal, dat snel afbreekt zodra de wond is gesloten, toont aan dat het activeren van een adaptieve immuunrespons regeneratieve wondgenezing kan veroorzaken, waardoor een sterkere en gezonder genezen huid achterblijft.

Dit werk bouwt voort op het eerdere onderzoek van het team met hydrogelsteigers, die een structuur creëren om de weefselgroei te ondersteunen, waardoor de wondgenezing wordt versneld. In hun nieuwe onderzoek toonde het team aan dat een aangepaste versie van deze hydrogel een regeneratieve immuunrespons activeert, die mogelijk kan helpen bij het genezen van huidletsel zoals brandwonden, snijwonden, diabetische zweren en andere wonden die normaal gesproken genezen met aanzienlijke littekens die gevoeliger zijn voor nieuw letsel. .

Dit onderzoek verschijnt op 9 november 2020 online in het tijdschrift Nature Materials.

“Het lichaam vormt zo snel mogelijk littekenweefsel om de kans op infectie te verkleinen, pijn te verminderen en, bij grotere wonden, waterverlies door verdamping te voorkomen”, zegt Maani Arhang, eerste auteur van het artikel en MD/PhD. student in de Scumpia- en Di Carlo-laboratoria aan de UCLA. "Het is een natuurlijk proces van wondgenezing."

De huidige wondhelende hydrogels die beschikbaar zijn voor klinisch gebruik, zitten op het oppervlak van de wond, waar ze als verband fungeren en helpen voorkomen dat de wond uitdroogt. Dat helpt op zijn beurt de wond sneller te genezen, meestal via littekenvorming.

In hun Nature Materials-paper uit 2015 ontwikkelde het onderzoeksteam, onder leiding van Duke's Tatiana Segura en UCLA's Dino Di Carlo, microporeuze annealed deeltjes (MAP) hydrogels, een op microdeeltjes gebaseerd biomateriaal dat zich in de wond kan integreren in plaats van op de huid te zitten. oppervlak. De kralen in de MAP-gel zijn met elkaar verbonden, maar laten open ruimtes achter, waardoor een poreuze structuur ontstaat die ondersteuning biedt aan cellen terwijl ze over de wond groeien. Terwijl de wond sluit, lost de gel langzaam op, waardoor de genezen huid achterblijft.

Hoewel de MAP-hydrogels een snelle celgroei en sneller herstel mogelijk maakten, merkte het team dat de genezen huid beperkte complexe structuren had, zoals haarzakjes en talgklieren. Het team was benieuwd of ze hun biomateriaal konden veranderen om de kwaliteit van de genezen huid te verbeteren.

“Eerder hadden we gezien dat naarmate de wond begon te genezen, de MAP-gel porositeit begon te verliezen, waardoor de manier waarop het weefsel door de structuur kon groeien beperkt werd”, zegt Don Griffin, assistent-professor aan de Universiteit van Virginia en een primeur. auteur op het papier en een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Segura Lab. "We veronderstelden dat het vertragen van de afbraaksnelheid van het MAP-scaffold zou voorkomen dat de poriën sluiten en extra ondersteuning zou bieden aan het weefsel terwijl het groeit, wat de kwaliteit van het weefsel zou verbeteren."

In plaats van een geheel nieuwe gel met nieuwe materialen te creëren, concentreerde het team zich in plaats daarvan op de chemische linker die ervoor zorgde dat het schavot op natuurlijke wijze door het lichaam werd afgebroken. In hun originele MAP-gels bestaat deze chemische linker uit een aminozuursequentie afkomstig van de lichaamseigen structurele eiwitten en gerangschikt in een chemische oriëntatie die L-chiraliteit wordt genoemd. Omdat deze sequentie en oriëntatie van de peptiden overal in het lichaam voorkomen, helpt dit de gel te voorkomen dat er een sterke immuunreactie ontstaat, maar maakt het ook een gemakkelijke afbraak door natuurlijk aanwezige enzymen mogelijk.

“Ons lichaam is geëvolueerd om deze aminozuurstructuur te herkennen en af te breken, dus theoretiseerden we dat als we de structuur zouden omdraaien naar zijn spiegelbeeld, namelijk D-chiraliteit, het lichaam het moeilijker zou hebben om het schavot te degraderen”, zegt Segura, een professor. van biomedische technologie bij Duke. "Maar toen we de hydrogel in een muizenwond stopten, deed de bijgewerkte gel precies het tegenovergestelde."

Het vernieuwde materiaal integreerde in de wond en ondersteunde het weefsel terwijl de wond sloot. Maar in plaats van langer aan te houden, ontdekte het team dat de nieuwe gel bijna volledig uit de wond was verdwenen, waardoor er slechts een paar deeltjes achterbleven.

De genezen huid bleek echter sterker te zijn en bevatte complexe huidstructuren die normaal gesproken afwezig zijn bij littekens. Na verder onderzoek ontdekten de onderzoekers dat de reden voor de sterkere genezing – ondanks het gebrek aan lange levensduur – een andere immuunrespons op de gel was.

Na een huidbeschadiging wordt de aangeboren immuunrespons van het lichaam onmiddellijk geactiveerd om ervoor te zorgen dat eventuele vreemde stoffen die het lichaam binnendringen snel worden vernietigd. Als stoffen aan deze eerste immuunreactie kunnen ontsnappen, treedt de adaptieve immuunreactie van het lichaam in werking, die het binnendringende materiaal met meer specificiteit identificeert en aanpakt.

Omdat de originele MAP-gel werd gemaakt met de gebruikelijke L-peptidestructuur, genereerde deze een milde aangeboren immuunrespons. Maar toen het team de opnieuw geformuleerde gel in een wond plaatste, activeerde de vreemde D-chiraliteit het adaptieve immuunsysteem, dat antilichamen en geactiveerde cellen creëerde, waaronder macrofagen die de gel sneller aanvielen en opruimden nadat de wond was gesloten.

“Er zijn twee soorten immuunreacties die kunnen optreden na een blessure – een destructieve reactie en een mildere regeneratieve reactie”, zegt Scumpia, assistent-professor op de afdeling dermatologie aan UCLA Health en het West Los Angeles VA Medical Center. “Wanneer de meeste biomaterialen in het lichaam worden geplaatst, worden ze door het immuunsysteem afgeschermd en uiteindelijk afgebroken of vernietigd. Maar in deze studie induceerde de immuunrespons op de gel een regeneratieve respons in het genezen weefsel.”

“Deze studie laat ons zien dat het activeren van het immuunsysteem kan worden gebruikt om de balans van wondgenezing te laten kantelen van weefselvernietiging en littekenvorming naar weefselherstel en huidregeneratie”, aldus Segura.

In samenwerking met Maksim Plikus, een expert op het gebied van regeneratief weefsel aan de Universiteit van Californië, Irvine, bevestigde het team ook dat belangrijke structuren, zoals haarzakjes en talgklieren, zich correct over het schavot vormden. Toen het team zich verdiepte in het mechanisme, ontdekten ze dat de cellen van het adaptieve immuunsysteem nodig zijn voor deze regeneratieve respons.

Terwijl het team de regeneratieve immuunrespons op hun gel blijft bestuderen, onderzoeken ze ook de mogelijkheid om de nieuwe MAP-hydrogel te gebruiken als een immunomodulerend platform. “Het team onderzoekt nu de beste manier om immuunsignalen uit de gel vrij te geven om huidregeneratie te induceren of de hydrogel als vaccinplatform te ontwikkelen”, aldus Scumpia.

“Ik ben enthousiast over de mogelijkheid om materialen te ontwerpen die rechtstreeks kunnen interageren met het immuunsysteem om weefselregeneratie te ondersteunen”, aldus Segura. “Dit is een nieuwe aanpak voor ons.”

Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (F32EB018713-01A1, T32-GM008042, U01AR073159), de National Science Foundation (DMS1763272), Simons Foundation Grants (594598, QN, R01NS094599, R01HL110592, R03AR073940, K08AR06 6545), de Pew Charitatieve Trust en Stichting LEO.

Donald Griffin, Westbrook Weaver, Dino Di Carlo, Tatiana Segura en Philip Scumpia hebben een financieel belang in Tempo Therapeutics, dat tot doel heeft MAP-technologie te commercialiseren.

CITATIE: “Het activeren van een adaptieve immuunrespons van een hydrogelplatform zorgt voor regeneratieve wondgenezing”, Donald Griffin, Maani Archang, Chen Kuan, Westbrook Weaver, Jason Weinstein, An Chieh Feng, Amber Ruccia, Elias Sideris, Vasileios Ragkousis, Jaekyung Koh, Maksim Plikus, Dino Di Carlo, Tatiana Segura, Philip Scumpia. Natuurmaterialen, 2020. 10.1038/s41563-020-00844-w

Originele artikelbron: WRAL TechWire