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La nuova piattaforma può contribuire a trattare le malattie neurodegenerative attraverso medicina a ricupero

Immagini se i chirurghi potessero trapiantare i neuroni sani nei pazienti che vivono con le malattie o le ferite neurodegenerative del midollo spinale e del cervello. Ed immagini se potessero “coltivare„ questi neuroni nel laboratorio dalle proprie celle di un paziente facendo uso di un sintetico, materiale altamente bioactive che è adatto a stampa 3D.

Scoprendo un nuovo biomateriale stampabile che può imitare i beni del tessuto cerebrale, i ricercatori di Northwestern University sono ora più vicino a sviluppare una piattaforma capace di trattamento delle queste circostanze facendo uso di medicina a ricupero.

Un ingrediente chiave alla scoperta è la capacità di gestire i trattamenti dell'auto-installazione delle molecole all'interno del materiale, permettendo ai ricercatori di modificare la struttura e le funzioni dei sistemi dal nanoscale al disgaggio delle funzionalità visibili.

Il laboratorio di Samuel I. Stupp ha pubblicato un documento 2018 nella scienza del giornale che ha indicato che i materiali possono essere progettati con le molecole altamente dinamiche programmate migrare sopra le distanze lunghe e auto-organizzare per formare più grande, “superstructured„ i gruppi dei nanofibers.

Ora, un gruppo di ricerca piombo da Stupp ha dimostrato che queste sovrastrutture possono migliorare la crescita del neurone, un'individuazione importante che potrebbe avere implicazioni per le strategie di trapianto delle cellule per le malattie neurodegenerative quali Parkinson ed il morbo di Alzheimer come pure lesione del midollo spinale.

Ciò è il primo esempio dove abbiamo potuti catturarci al fenomeno molecolare del rimescolamento abbiamo riferito nel 2018 e lo sfruttiamo per un'applicazione nella medicina a ricupero. Possiamo anche usare le costruzioni di nuovo biomateriale per contribuire a scoprire le terapie e capire le patologie.

Samuel I. Stupp, autore principale di studio e Direttore, istituto nordoccidentale di Simpson Querrey

Un pioniere dell'auto-installazione sovramolecolare, Stupp è egualmente il professore del comitato dei garanti di scienza ed assistenza tecnica dei materiali, chimica, medicina ed assistenza tecnica biomedica e tiene le nomine nell'istituto universitario di Weinberg delle arti e delle scienze, nel banco di McCormick di assistenza tecnica e nella scuola di medicina di Feinberg.

Il documento è stato pubblicato oggi (22 febbraio) nella scienza avanzata giornale.

Molecole di camminata e stampa 3D

Il nuovo materiale è creato mescolando due liquidi che diventano rapidamente rigidi come conseguenza delle interazioni conosciute in chimica come complessi dell'host-ospite che interazioni della serratura a chiave del mimo fra le proteine ed anche come risultato della concentrazione di queste interazioni nelle regioni del micron-disgaggio con una migrazione lunga del disgaggio “delle molecole di camminata.„

Le molecole agili riguardano migliaia di periodi più grandi di stesse di una distanza per legare insieme nelle grandi sovrastrutture. Al disgaggio microscopico, questa migrazione causa una trasformazione in struttura da che cosa assomiglia ad un bello pezzo crudo delle tagliatelle di ramen nei gruppi ropelike.

“I biomateriali tipici utilizzati nella medicina come gli idrogel del polimero non hanno le capacità per permettere che le molecole auto-montino e muoversi intorno all'interno di queste installazioni,„ ha detto Tristan Clemons, un socio di ricerca nel laboratorio di Stupp e co-primo autore del documento con Alexandra Edelbrock, un ex dottorando nel gruppo. “Questo fenomeno è unico ai sistemi che abbiamo messo a punto qui.„

Ancora, mentre le molecole dinamiche si muovono verso le sovrastrutture del modulo, i grandi pori si aprono che permettono che le celle penetrino ed interagiscano con i segnali bioactive che possono essere integrati nei biomateriali.

Interessante, le forze meccaniche di stampa 3D interrompono le interazioni dell'host-ospite nelle sovrastrutture ed inducono il materiale a scorrere, ma può solidificare rapido in tutta la forma macroscopica perché le interazioni sono riparate spontaneamente tramite l'auto-installazione. Ciò egualmente permette alla stampa 3D delle strutture con i livelli distinti che harbor i tipi differenti di celle neurali per studiare le loro interazioni.

Segnalazione della crescita di un neurone

La sovrastruttura ed i beni bioactive del materiale hanno potuto avere vaste implicazioni per rigenerazione del tessuto. I neuroni sono stimolati da una proteina nel sistema nervoso centrale conosciuto come il fattore neurotrophic cervello-derivato (BDNF), che aiuta i neuroni a sopravvivere a promuovendo le connessioni sinaptiche e permettendo che i neuroni siano più di plastica. BDNF potrebbe essere una terapia apprezzata per i pazienti con le malattie e le ferite neurodegenerative nel midollo spinale ma queste proteine si degradano rapidamente nell'organismo e sono costose produrre.

Una delle molecole nel nuovo materiale integra un mimo di questa proteina che attiva il suo ricevitore conosciuto come Trkb ed il gruppo ha trovato che i neuroni attivamente penetrano i grandi pori e popolano il nuovo biomateriale quando il segnale mimetico è presente. Ciò potrebbe anche creare un ambiente in cui i neuroni si sono differenziati dalle cellule staminali paziente-derivate mature prima di trapianto.

Ora che il gruppo si è applicato un proof of concept ai neuroni, Stupp crede che potrebbe ora rompersi in altre aree di medicina a ricupero applicando le sequenze chimiche differenti al materiale. Le modifiche chimiche semplici nei biomateriali li permetterebbero di fornire i segnali per una vasta gamma di tessuti.

“Il tessuto del cuore e della cartilagine è molto difficile da rigenerare dopo la lesione o gli attacchi di cuore e la piattaforma potrebbe essere utilizzata per preparare questi tessuti in vitro dalle celle paziente-derivate,„ Stupp ha detto. “Questi tessuti hanno potuto poi essere trapiantati per contribuire a riparare le funzioni perse. Oltre questi interventi, i materiali potrebbero essere usati per sviluppare i organoids per scoprire le terapie o persino direttamente essere impiantati nei tessuti per rigenerazione poiché sono biodegradabili.„

Il lavoro è stato supportato dal centro per Nanomedicine a ricupero all'istituto nordoccidentale di Simpson Querrey, alle amicizie laureate della ricerca attraverso il National Science Foundation e ad un'amicizia australiana americana di associazione.

Il documento è intitolato “biomateriali di Superstructured costituiti dalla dinamica di scambio e dalle interazioni dell'Host-Ospite in polimeri sovramolecolari.„

Source:
Journal reference:

Edelbrock, A. N., et al. (2021) Superstructured Biomaterials Formed by Exchange Dynamics and Host–Guest Interactions in Supramolecular Polymers. Advanced Science. doi.org/10.1002/advs.202004042.