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A plataforma nova pode ajudar a tratar doenças neurodegenerative através da medicina regenerativa

Imagine se os cirurgiões poderiam transplantar os neurônios saudáveis nos pacientes que vivem com as doenças ou os ferimentos neurodegenerative do cérebro e da medula espinal. E imagine se poderiam “crescer” estes neurônios no laboratório de próprias pilhas de um paciente usando um synthetic, o material altamente bioactive que é apropriado para a impressão 3D.

Descobrindo um matéria biológico imprimível novo que possa imitar propriedades do tecido de cérebro, os pesquisadores da Universidade Northwestern são agora mais perto de desenvolver uma plataforma capaz de tratar estas circunstâncias usando a medicina regenerativa.

Um ingrediente chave à descoberta é a capacidade para controlar os processos do auto-conjunto de moléculas dentro do material, permitindo os pesquisadores de alterar a estrutura e as funções dos sistemas do nanoscale à escala de características visíveis.

O laboratório de Samuel I. Stupp publicou um papel 2018 na ciência do jornal que mostrou que os materiais podem ser projectados com as moléculas altamente dinâmicas programadas migrar sobre distâncias longas e auto-organizar para formar maior, “superstructured” pacotes de nanofibers.

Agora, um grupo de investigação conduzido por Stupp demonstrou que estas superestruturas podem aumentar o crescimento do neurônio, encontrar importante que poderia ter implicações para estratégias da transplantação da pilha para doenças neurodegenerative tais como Parkinson e doença de Alzheimer, assim como ferimento da medula espinal.

Este é o primeiro exemplo onde nós pudemos nos tomar ao fenômeno molecular de reshuffling relatamos em 2018 e o aproveitamos para uma aplicação na medicina regenerativa. Nós podemos igualmente usar construções do matéria biológico novo para ajudar a descobrir terapias e compreender patologias.

Samuel I. Stupp, autor principal do estudo e director, instituto do noroeste de Simpson Querrey

Um pioneiro do auto-conjunto supramolecular, Stupp é igualmente a placa do professor dos depositários da ciência e a engenharia de materiais, a química, a medicina e engenharia biomedicável e guardara nomeações na faculdade de Weinberg das artes e das ciências, na escola de McCormick da engenharia e na Faculdade de Medicina de Feinberg.

O papel foi publicado hoje (22 de fevereiro) na ciência avançada jornal.

Moléculas de passeio e impressão 3D

O material novo é criado misturando dois líquidos que se tornam rapidamente rígidos em conseqüência das interacções conhecidas na química como complexos do anfitrião-convidado que as interacções do chave-fechamento da indicação entre proteínas, e igualmente como consequência da concentração destas interacções em regiões da mícron-escala com uma migração longa da escala “de moléculas de passeio.”

As moléculas ágeis cobrem os milhares de épocas maiores do que eles mesmos de uma distância a fim unir-se junto em grandes superestruturas. Na escala microscópica, esta migração causa uma transformação na estrutura do que olha como um pedaço cru de macarronetes de ramen em pacotes ropelike.

“Os matérias biológicos típicos usados na medicina como hydrogels do polímero não têm as capacidades para permitir que as moléculas auto-montem e para mover-se ao redor dentro destes conjuntos,” disse Tristan Clemons, um investigador associado no laboratório de Stupp e co-primeiro autor do papel com Alexandra Edelbrock, um aluno diplomado anterior no grupo. “Este fenômeno é original aos sistemas que nós desenvolvemos aqui.”

Além disso, como as moléculas dinâmicas se movem para superestruturas do formulário, os grandes poros abrem que permitem que as pilhas penetrem e interajam com os sinais bioactive que podem ser integrados nos matérias biológicos.

Interessante, as forças mecânicas da impressão 3D interrompem as interacções do anfitrião-convidado nas superestruturas e fazem com que o material flua, mas pode ràpida solidificar em toda a forma macroscópica porque as interacções são restauradas espontâneamente pelo auto-conjunto. Isto igualmente permite a impressão 3D das estruturas com camadas distintas que abrigam tipos diferentes de pilhas neurais a fim estudar suas interacções.

Sinalizando o crescimento neuronal

A superestrutura e as propriedades bioactive do material podiam ter implicações vastas para a regeneração do tecido. Os neurônios são estimulados por uma proteína no sistema nervoso central conhecido como o factor neurotrophic cérebro-derivado (BDNF), que ajuda os neurônios a sobreviver promovendo conexões synaptic e permitindo que os neurônios sejam mais plásticos. BDNF poderia ser uma terapia valiosa para pacientes com doenças e os ferimentos neurodegenerative na medula espinal mas estas proteínas degradam rapidamente no corpo e são caras produzir.

Uma das moléculas no material novo integra uma indicação desta proteína que activa seu receptor conhecido como Trkb, e a equipe encontrou que os neurônios activamente penetram os grandes poros e povoam o matéria biológico novo quando o sinal mimetic esta presente. Isto poderia igualmente criar um ambiente em que os neurônios se diferenciaram das células estaminais paciente-derivadas maduras antes da transplantação.

Agora que a equipe aplicou uma prova de conceito aos neurônios, Stupp acredita que poderia agora quebrar em outras áreas da medicina regenerativa aplicando seqüências químicas diferentes ao material. As mudanças químicas simples nos matérias biológicos permitiriam que fornecessem sinais para uma vasta gama de tecidos.

Da “o tecido cartilagem e do coração é muito difícil de regenerar após cardíaco de ferimento ou de ataque, e a plataforma poderia ser usada para preparar in vitro estes tecidos das pilhas paciente-derivadas,” Stupp disse. “Estes tecidos podiam então ser transplantados para ajudar a restaurar funções perdidas. Além destas intervenções, os materiais poderiam ser usados para construir organoids para descobrir terapias ou mesmo directamente ser implantados em tecidos para a regeneração desde que são biodegradáveis.”

O trabalho foi apoiado pelo centro para Nanomedicine regenerative no instituto do noroeste de Simpson Querrey, em bolsa de estudo graduadas da pesquisa através do National Science Foundation e em uma bolsa de estudo australiana americana da associação.

O papel é intitulado de “os matérias biológicos Superstructured formados pela dinâmica da troca e pelas interacções do Anfitrião-Convidado em polímeros supramoleculares.”

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.