Een een-tweetje van nanomateriaal geneest snel wonden in een diermodel met diabetes

Wonden die voor sommigen oppervlakkig zijn, kunnen voor anderen levensbedreigend zijn. Bij diabetische wonden kan de genezing traag zijn, vooral aan de voeten, waardoor de vatbaarheid van het weefsel voor infecties toeneemt. Voetulcera en andere diabetische voetcomplicaties kennen vergelijkbare sterftecijfers als sommige vormen van kanker, maar toch is de vooruitgang in de richting van verbeterde behandelingen gestabiliseerd. Nu hebben onderzoekers misschien een betere manier gevonden om het genezingsproces op gang te brengen.

Bio-ingenieurs van de Arizona State University (ASU) hebben een meerstapsstrategie ontwikkeld waarbij verschillende nanomaterialen op verschillende tijdstippen op wonden worden toegepast om zowel de genezing in een vroeg als in een laat stadium te ondersteunen. In een gepubliceerde studie in het journaal Biomaterialenpresteerde de methode van de auteurs beter dan een gebruikelijk wondverband in een diabetisch muismodel, waardoor wonden sneller werden gesloten en robuuster huidweefsel werd geproduceerd.

“Het genezen van een wond is als het bouwen van een huis. Je moet eerst de fundering leggen voordat je het sanitair kunt plaatsen”, zegt co-eerste auteur Jordan Yaron, Ph.D., een assistent-onderzoeksprofessor bio-ingenieur bij ASU. “Met onze aanpak houden we rekening met het stadium waarin de wond zich bevindt. Het bieden van de juiste behandeling op het juiste moment is cruciaal.”

De analyse van de onderzoekers suggereert ook dat hun aanpak onverwacht een immuuncelpopulatie activeerde die normaal niet wordt aangetroffen in wonden en die ontstekingen kan oplossen, wat een nieuwe potentiële weg benadrukt om de genezing te versnellen.

Een veelzijdige oplossing voor een veelzijdig probleem

Klinisch gezien is het de standaardpraktijk voor wonden om ze schoon te houden en een verband te gebruiken om ze te beschermen terwijl ze genezen. Deze aanpak klaart de klus voor de meeste verwondingen, maar schiet tekort voor patiënten met aandoeningen die het genezingsproces verstoren, zoals diabetes. Naast het veroorzaken van een slechte bloedsomloop en neuropathie, kan diabetes de wondgenezing verstoren door de functie van verschillende immuuncellen te belemmeren.

De onderzoekers bedachten een strategie om dit soort wonden te behandelen en vergeleken deze met een veelgebruikt verband in een diabetisch muismodel.

Voor de eerste stap vervaardigde het team een ​​zijden nanomateriaalverband ingebed met gouden nanostaafjes. Omdat gouden nanodeeltjes licht gemakkelijk in warmte omzetten, kon het team een ​​laser richten op verbanden die over verse wonden bij muizen waren geplaatst, waardoor warmte werd geproduceerd die deze snel op zijn plaats verzegelde en een hoog niveau van bescherming bood.

De strategie, waarmee de auteurs eerder succes boekten, creëert iets dat lijkt op een onmiddellijke korst, legde Yaron uit. Deze keer voegden de auteurs histamine aan de mix toe, een natuurlijke biochemische stof geproduceerd door het immuunsysteem die een belangrijke rol speelt bij ontstekingen, de ontwikkeling van bloedvaten en allergische reacties.

Ontsteking domineert de eerste reactie van het lichaam op verwondingen, maar neemt uiteindelijk af zodat het lichaam zich kan herbouwen. Diabetische wonden kunnen echter in de eerste versnelling blijven steken, waardoor een aanhoudende, laaggradige ontsteking in stand blijft, die het genezingsproces kan belemmeren.

“Omdat de wond vastloopt, wilden we samen met het verband histamine afgeven, om een ​​duwtje in de rug te geven en het ontstekingsstadium tot een oplossing te brengen. Vervolgens konden we een andere strategie introduceren om voor de daaropvolgende genezingsfasen te zorgen”, aldus senior en corresponderende auteur Kaushal Rege, Ph.D., hoogleraar chemische technologie aan ASU.

De auteurs volgden de gewonde muizen gedurende 11 dagen en ontdekten dat dieren die waren behandeld met een combinatie van het nanomateriaalverband en histamine het snelst genazen vergeleken met dieren die waren behandeld met het standaardverband met histamine of het nanomateriaalverband alleen.

De onderzoekers testten de genezen huid ook mechanisch en ontdekten dat het weefsel behandeld met zowel het nanomateriaal als histamine het sterkst was en het meest leek op de niet-gewonde huid.

Hoe versnelde de behandeling het proces precies zo drastisch? Voor een beter begrip analyseerde het team weefselmonsters door de genexpressie te beoordelen en cellen onder de microscoop te onderzoeken.

Ze ontdekten dat een specifiek immuunceltype, N2-neutrofielen, tot zeven dagen na het letsel veel voorkwam in behandelde wonden. Deze cellen zijn de eerste hulpverleners van het immuunsysteem en verdwijnen meestal binnen een dag of twee, waardoor hun aanwezigheid in de wond na een week hoogst ongebruikelijk is. Maar omdat bekend is dat ze histamine en andere herstellende moleculen produceren, is het ook mogelijk dat deze immuuncellen de spil van de behandeling vormen, merkte Yaron op.

Het team is van plan dieper in te gaan op de oorzaak van de aanwezigheid van de neutrofielen en op hun rol bij wondgenezing.

De volgende stap van de onderzoekers in het onderzoek was kijken of ze de genezing verder konden verbeteren door de post-ontstekingsfase te versnellen waarin cellen zich vermenigvuldigen en huidweefsel hermodelleren.

In een tweede reeks muizen vervolgden de auteurs hun initiële behandeling met een paar nanodeeltjes eerder ontwikkeld die zijn afgeleid van twee specifieke groeifactoren: eiwitten die in het lichaam voorkomen en de vorming van huidweefsel bevorderen.

Het team injecteerde de nanodeeltjes op verschillende tijdstippen in het met nanomateriaal bedekte wondbed en ontdekte dat de bevalling op dag zes de beste resultaten had met betrekking tot wondsluiting en weefselsterkte. Dit tijdstip komt overeen met een overgangsfase waarin cellen beginnen te prolifereren en weefsel opnieuw te modelleren.

Met veelbelovende resultaten bij muizen achter de rug, testen de auteurs hun strategie nu in grotere diermodellen die relevanter zijn voor de menselijke gezondheid, zoals varkens.

“De auteurs hebben eerder bestaande componenten op een unieke manier samengesteld. Door rekening te houden met de timing van bioactieve afgifte en het analyseren van de immuunrespons heeft het team een ​​indrukwekkend onderzoek opgeleverd. Ik geloof dat ze zich in een goede positie bevinden om vooruit te komen”, aldus David Rampulla, Ph.D., directeur van de afdeling Discovery Science and Technology bij het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB).