Technische onderzoekers ontwikkelen poreuze nanodeeltjes voor regeneratieve geneeskunde

Stamcellen kunnen zich in het lichaam ontwikkelen tot veel verschillende soorten cellen. Wanneer een persoon bijvoorbeeld gewond is, komen stamcellen naar de plaats van de verwonding en helpen ze bij het genezen van beschadigde weefsels. Nieuwe nanotechnologie ontwikkeld door een team van onderzoekers van de Texas A&M University zou het regeneratieve potentieel van het lichaam kunnen benutten door stamcellen aan te sturen om botweefsel te vormen.

Akhilesh K. Gaharwar, universitair hoofddocent en Presidential Impact Fellow bij de afdeling Biomedical Engineering en een fellow van het American Institute for Medical and Biological Engineering, leidt het team. De onderzoekers hebben waterstabiele, 2D covalente organische raamwerk (COF) nanodeeltjes ontwikkeld die de differentiatie van menselijke mesenchymale stamcellen in botcellen kunnen sturen.

Aanzienlijke onderzoeksaandacht is besteed aan 2D COF’s – poreuze organische polymeren – vanwege hun kristalliniteit, geordende en afstembare poreuze structuur en hoge specifieke oppervlakte. De moeilijkheid om COF’s te verwerken tot materialen van nanoformaat – samen met hun slechte stabiliteit – heeft hun toepassing in regeneratieve geneeskunde en medicijnafgifte echter beperkt. Er is behoefte aan nieuwe benaderingen die deze COF’s voldoende fysiologische stabiliteit bieden met behoud van hun biocompatibiliteit.

Het team van Gaharwar heeft de hydrolytische (water)stabiliteit van COF’s verbeterd door ze te integreren met amfifiele polymeren, dit zijn macromoleculen die zowel hydrofobe als hydrofiele componenten bevatten. Deze benadering, die niet eerder is gerapporteerd, geeft waterdispergeerbaarheid aan COF’s, waardoor biomedische toepassing van deze nanodeeltjes mogelijk is.

“Voor zover wij weten, is dit het eerste rapport dat het vermogen van COF’s aantoont om stamcellen naar botweefsel te sturen,” zei Gaharwar. “Deze nieuwe technologie heeft het potentieel om de behandeling van botregeneratie te beïnvloeden.”

De onderzoekers ontdekten dat 2D COF’s de levensvatbaarheid en proliferatie van een cel niet beïnvloeden, zelfs niet bij hogere concentraties. Ze merkten op dat deze 2D COF’s bioactiviteit vertonen en stamcellen naar botcellen sturen. De voorstudie gaf aan dat de vorm en grootte van deze nanodeeltjes deze bioactiviteit kunnen verlenen, en aanvullende diepgaande studies moeten worden uitgevoerd voor mechanistische inzichten.

Deze nanodeeltjes zijn zeer poreus en het team van Gaharwar heeft deze unieke eigenschap gebruikt voor het afleveren van medicijnen. Ze waren in staat om een ​​osteo-inducerend medicijn genaamd dexamethason in de poreuze structuur van de COF te laden om de botvorming verder te verbeteren.

“Deze nanodeeltjes kunnen de afgifte van medicijnen aan menselijke mesenchymale stamcellen, die vaak worden gebruikt bij botregeneratie, verlengen”, zegt Sukanya Bhunia, senior auteur van de studie en postdoc-medewerker op de afdeling biomedische technologie. “De aanhoudende afgifte van het medicijn resulteerde in verbeterde stamceldifferentiatie naar botafstamming, en deze techniek kan worden gebruikt voor botregeneratie.”

Gaharwar merkte op dat, na een proof-of-concept te hebben geleverd, de volgende stap van het team in zijn onderzoek zal zijn om deze nanotechnologie in een ziek model te evalueren.

Deze bevindingen zijn belangrijk voor het toekomstige ontwerp van biomaterialen die richting kunnen geven voor weefselregeneratie en medicijnafgiftetoepassingen.

De resultaten zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg logboek. Andere onderzoeksbijdragen zijn Manish Jaiswal, Kanwar Abhay Singh en Kaivalya Deo van de afdeling biomedische technologie van Texas A&M.