Bằng cách phát hiện ra một vật liệu sinh học có thể in mới có thể bắt chước các đặc tính của mô não, các nhà nghiên cứu hiện đang tiến gần hơn đến việc phát triển một nền tảng có khả năng điều trị các tình trạng bằng cách sử dụng thuốc tái tạo.
Hãy tưởng tượng nếu các bác sĩ phẫu thuật có thể cấy ghép các tế bào thần kinh khỏe mạnh vào những bệnh nhân sống với bệnh thoái hóa thần kinh hoặc chấn thương não và tủy sống. Và hãy tưởng tượng nếu họ có thể "phát triển" những tế bào thần kinh này trong phòng thí nghiệm từ tế bào của chính bệnh nhân bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp, có hoạt tính sinh học cao phù hợp để in 3D.
Bằng cách phát hiện ra một vật liệu sinh học có thể in mới có thể bắt chước các đặc tính của mô não, các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern hiện đang tiến gần hơn đến việc phát triển một nền tảng có khả năng điều trị những tình trạng này bằng cách sử dụng y học tái tạo.
Thành phần quan trọng của khám phá này là khả năng kiểm soát quá trình tự lắp ráp của các phân tử bên trong vật liệu, cho phép các nhà nghiên cứu sửa đổi cấu trúc và chức năng của các hệ thống từ kích thước nano sang quy mô các đặc điểm có thể nhìn thấy được. Phòng thí nghiệm của Samuel I. Stupp đã xuất bản một bài báo năm 2018 trên tạp chí Science cho thấy rằng vật liệu có thể được thiết kế với các phân tử năng động cao được lập trình để di chuyển trên một khoảng cách dài và tự tổ chức để tạo thành các bó sợi nano "siêu cấu trúc" lớn hơn.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Stupp dẫn đầu đã chứng minh rằng những siêu cấu trúc này có thể tăng cường sự phát triển của tế bào thần kinh, một phát hiện quan trọng có thể có ý nghĩa đối với các chiến lược cấy ghép tế bào đối với các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson và bệnh Alzheimer, cũng như tổn thương tủy sống.
Stupp, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Đây là ví dụ đầu tiên mà chúng tôi có thể lấy hiện tượng thay đổi cấu trúc phân tử mà chúng tôi đã báo cáo vào năm 2018 và khai thác nó cho một ứng dụng trong y học tái tạo”. Học viện. "Chúng tôi cũng có thể sử dụng các cấu trúc của vật liệu sinh học mới để giúp khám phá các liệu pháp và hiểu các bệnh lý."
Là người tiên phong trong việc tự lắp ráp siêu phân tử, Stupp cũng là Giáo sư của Hội đồng Quản trị về Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Hóa học, Y học và Kỹ thuật Y sinh và giữ các bổ nhiệm trong Trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg, Trường Kỹ thuật McCormick và Trường Feinberg Dược phẩm.
Bài báo đã được xuất bản vào ngày hôm nay (22 tháng 2) trên tạp chí Khoa học nâng cao .
(adv)
Phân tử đi bộ và in 3D
Vật liệu mới được tạo ra bằng cách trộn hai chất lỏng nhanh chóng trở nên cứng rắn do kết quả của các tương tác được gọi là phức chất chủ - khách mô phỏng tương tác khóa giữa các protein và cũng là kết quả của nồng độ của các tương tác này ở quy mô micromet. các vùng thông qua sự di chuyển quy mô dài của "các phân tử đi bộ"
Các phân tử linh hoạt bao phủ một khoảng cách lớn hơn chúng hàng nghìn lần để kết hợp với nhau thành các cấu trúc thượng tầng lớn. Ở quy mô vi mô, sự di chuyển này gây ra sự biến đổi cấu trúc từ những thứ trông giống như một đoạn mì ramen chưa nấu chín thành những bó như sợi nhỏ.
Tristan Clemons, một cộng sự nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Stupp và đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Các vật liệu sinh học điển hình được sử dụng trong y học như polyme hydrogel không có khả năng cho phép các phân tử tự lắp ráp và di chuyển xung quanh các cụm này Alexandra Edelbrock, một cựu sinh viên tốt nghiệp trong nhóm. "Hiện tượng này là duy nhất đối với các hệ thống chúng tôi đã phát triển ở đây."
Hơn nữa, khi các phân tử động chuyển động để tạo thành cấu trúc thượng tầng, các lỗ chân lông lớn sẽ mở ra cho phép các tế bào thâm nhập và tương tác với các tín hiệu hoạt tính sinh học có thể được tích hợp vào vật liệu sinh học.
Điều thú vị là các lực cơ học của in 3D phá vỡ tương tác giữa chủ và khách trong cấu trúc thượng tầng và khiến vật liệu chảy, nhưng nó có thể nhanh chóng đông đặc thành bất kỳ hình dạng vĩ mô nào vì các tương tác được khôi phục một cách tự phát bằng cách tự lắp ráp. Điều này cũng cho phép in 3D các cấu trúc có các lớp riêng biệt chứa các loại tế bào thần kinh khác nhau để nghiên cứu sự tương tác của chúng.
Báo hiệu sự phát triển tế bào thần kinh
Các đặc tính siêu cấu trúc và hoạt tính sinh học của vật liệu có thể có ý nghĩa to lớn đối với việc tái tạo mô. Các tế bào thần kinh được kích thích bởi một protein trong hệ thống thần kinh trung ương được gọi là yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ não (BDNF), giúp các tế bào thần kinh tồn tại bằng cách thúc đẩy các kết nối tiếp hợp và cho phép các tế bào thần kinh dẻo dai hơn. BDNF có thể là một liệu pháp có giá trị cho những bệnh nhân mắc bệnh thoái hóa thần kinh và chấn thương ở tủy sống nhưng những protein này phân hủy nhanh chóng trong cơ thể và sản xuất đắt tiền.
Một trong những phân tử trong vật liệu mới tích hợp một protein bắt chước này kích hoạt thụ thể của nó được gọi là Trkb, và nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh tích cực thâm nhập vào các lỗ chân lông lớn và đưa vào vật liệu sinh học mới khi có tín hiệu bắt chước. Điều này cũng có thể tạo ra một môi trường trong đó các tế bào thần kinh được biệt hóa từ các tế bào gốc có nguồn gốc từ bệnh nhân trưởng thành trước khi cấy ghép.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một bằng chứng về khái niệm cho tế bào thần kinh, Stupp tin rằng giờ đây anh ta có thể thâm nhập vào các lĩnh vực khác của y học tái tạo bằng cách áp dụng các trình tự hóa học khác nhau vào vật liệu. Những thay đổi hóa học đơn giản trong vật liệu sinh học sẽ cho phép chúng cung cấp tín hiệu cho nhiều loại mô.
Stupp cho biết: “Mô sụn và mô tim rất khó tái tạo sau chấn thương hoặc các cơn đau tim, và nền tảng này có thể được sử dụng để chuẩn bị các mô này trong ống nghiệm từ các tế bào có nguồn gốc từ bệnh nhân”. "Những mô này sau đó có thể được cấy ghép để giúp phục hồi các chức năng đã mất. Ngoài những can thiệp này, vật liệu có thể được sử dụng để tạo ra các organoids nhằm khám phá các liệu pháp hoặc thậm chí cấy trực tiếp vào các mô để tái tạo vì chúng có thể phân hủy sinh học."
Nguồn : Đại học Northwestern
