Üç Boyut Baskılı Yeni Biyomalzeme, Canlı Dokuların Özelliklerini Taklit Ediyor

‘Yürüyen’ molekül üstyapıları, rejeneratif tıp için nöronlar oluşturmaya yardımcı olabilir.

Cerrahların, sinir dokusu bozukluğuyla ilgili (nörodejeneratif) hastalıklar ile veya beyin ve omurilik hasarı ile yaşayan hastalara, sağlıklı nöronları nakledebildiğini hayal edin. Ve onların, bu nöronları sentetik, yüksek biyoaktifliğe sahip üç boyutlu baskılamaya uygun bir malzeme kullanarak bir hastanın kendi hücrelerinden laboratuvar ortamında “geliştirdiklerini” hayal edin.

Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, beyin dokusunu taklit eden, baskılanabilir yeni bir biyomalzeme keşfederek, rejeneratif tıpı kullanarak bu koşulları tedavi edebilecek yeteneğe sahip bir platform geliştirmeye şu an daha yakınlar.

Keşif için anahtar bir bileşen, moleküllerin kendiliğinden bir araya gelerek molekül oluşturma sürecini kontrol etme yeteneğidir, bu da araştırmacılara sistem yapısını ve fonksiyonlarını nano ölçeklerden görünür özellik ölçeklerine kadar değişiklik yapma fırsatı tanır. Samuel I. Stupp’ un laboratuvarı, Science dergisinde, malzemelerin, daha büyük “üstyapılı” nanolif demetleri oluşturmak için uzun mesafelerde göç etmek  ve kendi kendine organize olmak üzere programlanmış, son derece dinamik moleküllerle tasarlanabileceğini  gösteren bir 2018 makalesi yayınladı.

Şimdi, Stupp liderliğinde bir araştırma grubu, bu üstyapıların nöron büyümesini arttırabileceğini ispat etti, bu, hem Parkinson hastalığı ve Alzheimer hastalığı gibi sinir dokusu bozukluğuyla ilgili rahatsızlıklar hem de omurilik hasarı için hücre nakil stratejileri için anlamı olabilen önemli bir bulgudur.

Çalışmadaki baş yazar ve Northwestern Simpson Querrey Enstitü yöneticisi Stupp “Bu, 2018’ de bildirdiğimiz moleküler çaprazlama olgusunu elde ettiğimiz ve onu, rejeneratif tıpta bir uygulama için kullandığımız ilk örnektir,” dedi. “Yeni biyomalzeme yapılarını, terapiler keşfetmek ve patolojileri anlamak için de kullanabiliriz.”

Kendiliğinden bir araya gelip bağ oluşturan moleküllerden daha üstün moleküllerin öncüsü olan Stupp, aynı zamanda, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Kimya, Tıp ve Biyomedikal Mühendisliği Mütevelli Heyeti Profesörüdür ve Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’ nde, McCormick Mühendislik Okulu’ nda ve Feinberg Tıp Okulu’ nda atamaları düzenler.

Makale, bugün (Şubat 22) Advanced Science’ da yayınlandı.

Yürüyen Moleküller ve 3D Baskılama

Yeni malzeme, kimyada proteinler arasındaki anahtar-kilit etkileşimlerini taklit eden konak-konuk kompleksleri olarak bilinen etkileşimlerin sonucu, hızla katılaşan iki sıvı karışımından meydana gelir ve ayrıca bu etkileşimlerin “yürüyen moleküllerin” uzun ölçekli göçü vasıtasıyla mikron-ölçekli bölgelerde yoğunlaşmasının bir sonucu olarak meydana gelir.

Çevik moleküller, büyük üstyapılarda birleşmek için kendilerinden binlerce kat daha büyük bir mesafeyi kaplarlar. Mikroskobik ölçekte, bu yer değiştirme, pişmemiş bir ramen eriştesi yığını gibi görünen bir yapıdan halat benzeri demetlere dönüşüme neden olur.

Stupp laboratuvarında araştırma görevlisi Tristan Clemons ile gruptaki eski bir yüksek lisans öğrencisi olan makalenin yardımcı yazarı Alexandre Edelbrock, “Polimer hidrojeller gibi, tıpta kullanılan tipik biyomalzemeler, moleküllerin kendi kendine bir araya gelerek bağ oluşturmasına ve bu düzenek içinde etrafta hareket etmesine izin verme yeteneğe sahip değillerdir,“ dedi. “Bu olgu burda geliştirdiğimiz sistemlere özgüdür.”

Buna ek olarak, dinamik moleküller üstyapı oluşturmak için hareket ettikçe, hücrelerin byomalzemelere entegre edilebilen biyoaktif sinyallere nüfuz etmesine ve etkileşime girmesine izin veren büyük gözenekler açılır.

İlginç bir şekilde, 3D baskının mekanik kuvvetleri, üstyapılardaki konak-konuk etkileşimlerine engel olur ve malzeme akışına neden olur, fakat herhangi bir makroskobik şekle hızlı bir şekilde katılaşabilir çünkü etkileşimler, kendiliğinden bir araya gelerek bağ oluşturarak kendi kendine yeniden düzenlenir. Bu ayrıca, onların etkileşimlerini incelemek için, sinir hücrelerinin farklı türlerini barındıran belirgin tabakalar ile yapının 3D baskılanmasına da olanak verir.

Sinirsel Büyüme Sinyali

Malzemenin üstyapısı ve biyoaktif özellikleri, doku yenilenmesi için muazzam etkilere sahip olabilir. Nöronlar, sinaptik bağlantıları teşvik ederek ve nöronların daha plastik olmasına izin vererek nöronların hayatta kalmasına yardımcı olan beyin kaynaklı nörotrofik faktör (BDNF) olarak bilinen merkezi sinir sistemindeki bir protein tarafından uyarılır. BDNF, nörodejeneratif hastalıkları ve omurilik hasarı olan hastalar için değerli bir terapi olabilir, ancak bu proteinler vücutta hızla bozunur ve üretilmesi pahalıdır.

Yeni materyaldeki moleküllerden biri, bu proteinin Trkb (Tropomyosin receptor kinase B) olarak bilinen reseptörünü aktive eden bir taklidini entegre ediyor ve ekip, nöronların aktif olarak geniş gözeneklere nüfuz ettiğini ve taklitçi sinyal mevcut olduğunda yeni biyomateryali doldurduğunu buldu. Bu aynı zamanda hastadan elde edilen kök hücrelerden farklılaşan nöronların nakilden önce olgunlaştığı bir ortam yaratabilir.

Ekip, nöronlar için bir konsept kanıtı uyguladığından, Stupp artık malzemeye farklı kimyasal diziler uygulayarak rejeneratif tıbbın diğer alanlarına girebileceğine inanabilirdi. Biyomalzemelerdeki basit kimyasal değişiklikler, geniş bir doku yelpazesi için sinyal sağlamalarına izin verecektir.

Stupp, “Kıkırdak ve kalp dokusunun yaralanma veya kalp krizinden sonra yenilenmesi çok zordur ve platform, bu dokuları in vitro (hücre dışında yapay) olarak hastadan alınan hücrelerden hazırlamak için kullanılabilir,” dedi. “Bu dokular, daha sonra kayıp fonksiyonların yeniden düzenlenmesine yardımcı olmak için nakledilebilir. Bu müdahalelerin ötesinde, materyaller, terapileri keşfetmede organoidler oluşturmak için kullanılabilir veya hatta biyobozunur olduklarından dolayı rejenerasyon için doğrudan dokulara yerleştirilebilir.”

Çalışma, Northwestern Simpson Querrey Enstitüsü’ndeki Rejeneratif Nanotıp Merkezi, Ulusal Bilim Vakfı ve bir Amerikan Avustralya Derneği Bursu aracılığıyla mezun araştırma bursları tarafından desteklendi.

Kaynak: sciencedaily.com