Het benutten van exosomen en hydrogels voor geavanceerde diabetische wondgenezing

Diabetes, een wijdverspreide aandoening die ongeveer 13% van de Amerikaanse volwassenen treft, gaat vaak gepaard met complicaties zoals een verstoorde wondgenezing. Als dit niet wordt behandeld, kan dit leiden tot ernstige gevolgen, waaronder de noodzaak van amputatie.

De uitdaging om effectieve behandelingen voor diabetische wonden te vinden, is steeds urgenter geworden. Zulke wonden worden gekenmerkt door langdurige ontsteking, gebrek aan zuurstof en verstoorde bloedvatvorming, die allemaal bijdragen aan vertraagd herstel. Een nieuwe grens in biomedisch onderzoek wijst echter naar exosomen als een mogelijke oplossing.

Een team van NYU Langone en NYU Tandon, waaronder Jin Kim Montclare, is begonnen met het onderzoeken van exosomen, kleine membraangebonden blaasjes, als veelbelovende hulpmiddelen voor genezing. Deze nanoblaasjes dragen verschillende biologische materialen – nucleïnezuren, eiwitten en lipiden – waardoor ze intercellulaire communicatie kunnen bemiddelen en processen zoals weefselherstel kunnen beïnvloeden.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het dagboek ACS Toegepaste Biomaterialen.

Specifiek hebben exosomen afkomstig van mesenchymale stamcellen (MSC’s), waaronder die van vetweefsel, een significant potentieel getoond in het bevorderen van wondgenezing in diermodellen. Hun therapeutische effecten lijken voort te komen uit hun vermogen om ontstekingen te verminderen en een genezingsvriendelijke omgeving te bevorderen door de vorming van bloedvaten te verbeteren en de activiteit van cellen zoals fibroblasten en endotheelcellen aan te moedigen, die essentieel zijn voor weefselherstel.

Een groot voordeel van exosomen is hun vermogen om een ​​aantal risico’s te omzeilen die gepaard gaan met traditionele stamceltherapieën, zoals ongecontroleerde celgroei of immuunafstoting. Ondanks hun belofte vereisen exosomen echter doorgaans herhaalde toediening, hetzij via subcutane of intraveneuze injecties, wat een uitdaging vormt voor wondbehandeling op de lange termijn.

Het team van Montclare heeft innovatieve manieren onderzocht om het therapeutische potentieel van exosomen te verbeteren, een daarvan is het combineren ervan met hydrogels. Hydrogels, samengesteld uit netwerken van cross-linked polymeren, kunnen exosomen in hun structuur inkapselen. Deze inkapseling maakt een meer aanhoudende en gelokaliseerde afgifte van exosomen direct op de wondplek mogelijk, zonder de noodzaak van invasieve injecties.

Hydrogels worden al erkend vanwege hun biocompatibiliteit en het vermogen om wonden te hydrateren, waardoor ze op zichzelf bruikbaar zijn als wondverband. In combinatie met exosomen neemt hun therapeutische effectiviteit aanzienlijk toe, vooral bij diabetische wonden.

Recente studies hebben aangetoond dat hydrogel-exosomencombinaties consistent leiden tot snellere wondgenezing dan hydrogels of exosomen die alleen worden gebruikt. Deze hydrogelsystemen zijn niet op proteïnen gebaseerd, maar recente ontwikkelingen in op proteïnen gebaseerde hydrogeltechnologie hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor het verbeteren van wondgenezing.

Montclare heeft een op proteïne gebaseerde hydrogel ontwikkeld, aangeduid als “Q”, die een gel vormt bij lage temperaturen via een proces genaamd upper critical solution temperature (UCST) gelation. Deze op proteïne gebaseerde hydrogel assembleert zichzelf tot nanovezels, waardoor een fysiek gecrosslinkt netwerk ontstaat dat mechanische sterkte biedt.

Door de eiwitsequentie nauwkeurig af te stemmen met behulp van geavanceerde computerhulpmiddelen, zoals de Rosetta-score en Poisson-Boltzmann-elektrostatische potentiaalberekeningen, konden ze de mechanische eigenschappen, stabiliteit en vormingssnelheid van de gel verbeteren. Dit zijn belangrijke factoren bij het creëren van een ideaal wondverband.

Om deze aanpak verder te ontwikkelen, ontwierpen ze een variant van de Q-hydrogel, genaamd Q5, met behulp van geautomatiseerde selectiemethoden om de stabiliteit ervan te optimaliseren. Ze kapselden exosomen in Q5 in om een ​​nieuw hydrogel-exosoomsysteem te creëren, genaamd Q5Exo. Dit systeem biedt een topisch, niet-invasief wondverband dat veelbelovend is voor het effectiever behandelen van diabetische wonden dan traditionele methoden, die afhankelijk zijn van injecties.

In studies met diabetische muismodellen toonde Q5Exo een significante vermindering van de genezingstijd bij topische toepassing vergeleken met exosomen die via injectie werden toegediend. Dit suggereert dat op proteïne gebaseerde hydrogels, met hun instelbare eigenschappen, een krachtig platform kunnen worden voor het verbeteren van wondgenezingsresultaten bij diabetes.

Naarmate het onderzoek vordert, kunnen dergelijke hydrogels de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie biocompatibele, efficiënte wondverbanden die de therapeutische kracht van exosomen benutten.