Duke-forskare hjälper till att utveckla biomaterial som förbättrar hudläkning

9 november 2020

DURHAM – Forskare vid Duke University och University of California, Los Angeles, har utvecklat ett biomaterial som avsevärt minskar ärrbildningen efter sårskador, vilket leder till effektivare hudläkning. Detta nya material, som snabbt bryts ned när såret har stängts, visar att aktivering av ett adaptivt immunsvar kan utlösa regenerativ sårläkning, vilket lämnar efter sig starkare och friskare läkt hud.

Detta arbete bygger på teamets tidigare forskning med hydrogelställningar, som skapar en struktur för att stödja vävnadstillväxt och påskynda sårläkning. I sin nya studie visade teamet att en modifierad version av denna hydrogel aktiverar ett regenerativt immunsvar, vilket potentiellt kan hjälpa till att läka hudskador som brännskador, skärsår, diabetiska sår och andra sår som normalt läker med betydande ärr som är mer mottagliga för återskador .

Denna forskning visas online den 9 november 2020 i tidskriften Nature Materials.

"Kroppen bildar ärrvävnad så snabbt som möjligt för att minska risken för infektion, för att minska smärta och, i större sår, för att undvika vattenförlust genom avdunstning", säger Maani Archang, en första författare på tidningen och en MD/PhD student i Scumpia och Di Carlo labb vid UCLA. "Det är en naturlig process för sårläkning."

Nuvarande sårläkande hydrogeler tillgängliga för klinisk användning sitter på sårets yta, där de fungerar som ett förband och hjälper till att förhindra att såret torkar ut. Det i sin tur hjälper såret att läka snabbare, vanligtvis via ärrbildning.

I sin Nature Materials-uppsats från 2015 utvecklade forskargruppen, styrda av Dukes Tatiana Segura och UCLA:s Dino Di Carlo, mikroporösa glödgade partiklar (MAP) hydrogeler, som är ett mikropartikelbaserat biomaterial som kan integreras i såret snarare än att sitta på hudens hud. yta. Pärlorna i MAP-gelen länkar samman men lämnar öppna utrymmen, vilket skapar en porös struktur som ger stöd åt celler när de växer över sårplatsen. När såret stängs löses gelén långsamt och lämnar efter sig läkt hud.

Även om MAP-hydrogelerna möjliggjorde snabb celltillväxt och snabbare reparation, märkte teamet att den läkta huden hade begränsade komplexa strukturer som hårsäckar och talgkörtlar. Teamet var nyfiken på om de kunde ändra sitt biomaterial för att förbättra kvaliteten på den läkta huden.

"Tidigare hade vi sett att när såret började läka började MAP-gelén förlora porositet, vilket begränsade hur vävnaden kunde växa genom strukturen", säger Don Griffin, biträdande professor vid University of Virginia som är en första författare på tidningen och en före detta postdoktor i Segura Lab. "Vi antog att en bromsning av nedbrytningshastigheten för MAP-ställningen skulle förhindra att porerna stängs och ge ytterligare stöd till vävnaden när den växer, vilket skulle förbättra vävnadens kvalitet."

Istället för att skapa en helt ny gel med nya material, fokuserade teamet istället på den kemiska länken som gjorde att ställningen kunde brytas ned naturligt av kroppen. I deras ursprungliga MAP-geler är denna kemiska länk sammansatt av en aminosyrasekvens hämtad från kroppens egna strukturella proteiner och arrangerad i en kemisk orientering som kallas L-kiralitet. Eftersom denna peptidsekvens och orientering är vanlig i hela kroppen, hjälper detta gelen att undvika att utlösa ett starkt immunsvar, men det möjliggör också lätt nedbrytning genom naturligt närvarande enzymer.

"Vår kropp har utvecklats för att känna igen och försämra denna aminosyrastruktur, så vi teoretiserade att om vi vände strukturen till dess spegelbild, vilket är D-kiralitet, skulle kroppen ha svårare att försämra ställningen", säger Segura, professor av biomedicinsk teknik vid Duke. "Men när vi satte hydrogelen i ett mussår, slutade den uppdaterade gelén med att göra precis tvärtom."

Det uppdaterade materialet integrerades i såret och stödde vävnaden när såret stängdes. Men istället för att pågå längre upptäckte teamet att den nya gelén nästan helt hade försvunnit från sårplatsen och lämnade efter sig bara några partiklar.

Den läkta huden visade sig dock vara starkare och inkluderade komplexa hudstrukturer som vanligtvis saknas i ärr. Efter ytterligare undersökning upptäckte forskarna att orsaken till den starkare läkningen – trots bristen på livslängd – var ett annat immunsvar mot gelen.

Efter en hudskada aktiveras omedelbart kroppens medfödda immunsvar för att säkerställa att eventuella främmande ämnen som kommer in i kroppen snabbt förstörs. Om substanser kan undkomma detta första immunsvar, sätter kroppens adaptiva immunsvar in, vilket identifierar och riktar in sig på det invaderande materialet med mer specificitet.

Eftersom den ursprungliga MAP-gelen gjordes med den vanliga L-peptidstrukturen genererade den ett milt medfödd immunsvar. Men när teamet placerade den omformulerade gelen i ett sår, aktiverade den främmande D-kiraliteten det adaptiva immunsystemet, vilket skapade antikroppar och aktiverade celler inklusive makrofager som riktade in sig på och rensade ut gelén snabbare efter att såret stängdes.

"Det finns två typer av immunsvar som kan uppstå efter skada - ett destruktivt svar och ett mer mildt regenerativt svar", säger Scumpia, biträdande professor vid avdelningen för dermatologi vid UCLA Health och West Los Angeles VA Medical Center. "När de flesta biomaterial placeras i kroppen, muras de av immunsystemet och så småningom nedbryts eller förstörs. Men i den här studien inducerade immunsvaret mot gelén ett regenerativt svar i den läkta vävnaden."

"Denna studie visar oss att aktivering av immunsystemet kan användas för att luta balansen mellan sårläkning från vävnadsförstöring och ärrbildning till vävnadsreparation och hudregenerering", säger Segura.

I samarbete med Maksim Plikus, en regenerativ vävnadsexpert vid University of California, Irvine, bekräftade teamet också att nyckelstrukturer, som hårsäckar och talgkörtlar, bildades korrekt över ställningen. När teamet grävde i mekanismen fann de att cellerna i det adaptiva immunsystemet krävs för detta regenerativa svar.

När teamet fortsätter att studera det regenerativa immunsvaret på deras gel, undersöker de också möjligheten att använda den nya MAP-hydrogelen som en immunmodulerande plattform. "Teamet undersöker nu det bästa sättet att frigöra immunsignaler från gelén för att antingen inducera hudregenerering eller utveckla hydrogelen som en vaccinplattform", säger Scumpia.

"Jag är exalterad över möjligheten att designa material som direkt kan interagera med immunsystemet för att stödja vävnadsregenerering", sa Segura. "Det här är ett nytt tillvägagångssätt för oss."

Detta arbete stöddes av National Institutes of Health (F32EB018713-01A1, T32-GM008042, U01AR073159), The National Science Foundation (DMS1763272), Simons Foundation Grants (594598, QN, R01NS094599, R305, K005, K005, K005, K005, K005, K0405, R605, K005 545), Pew Charitable Trust och LEO Foundation.

Donald Griffin, Westbrook Weaver, Dino Di Carlo, Tatiana Segura och Philip Scumpia har ett ekonomiskt intresse i Tempo Therapeutics, som syftar till att kommersialisera MAP-teknik.

CITATION: "Att aktivera ett adaptivt immunsvar från en hydrogelställning ger regenerativ sårläkning," 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. Nature Materials, 2020. 10.1038/s41563-020-00844-w

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire