Adjunkt Alireza Dolatshahi-Pirouz och kollegor har utvecklat en hydrogel som kombinerar syntetiska material med levande celler, och kan förvandla stamceller till ben utan att lägga till externa tillväxt- eller differentieringsfaktorer.

Mer än 50 procent av kvinnorna och 20 procent av männen över 50 år kommer att uppleva en benfraktur under sin livstid. Ett sätt att förhindra dessa frakturer - särskilt i de känsligaste delarna av skelettet - är leverans av stamceller med hjälp av en injicerbar bärare, som skyddar cellerna på väg in i kroppen. Genom att använda ett systematiskt kombinatoriskt tillvägagångssätt, forskargruppen har testat 63 olika nanokonstruerade hydrogeler, och introducerade ett optimalt biomaterial som inte bara skyddar cellerna, men också underlätta den spontana differentieringen av stamcellerna till benceller. Vanligtvis externa tillväxtfaktorer och differentieringsfaktorer, som kan vara både giftigt för kroppen och också ganska dyrt, behövs för att omvandla stamceller till den önskade typen av celler.

Lättnad till osteoporospatienter

Benskörhet gör att benen blir sköra och sköra på grund av förlust av densitet. Patienter med denna typ av sjukdom kan i framtiden dra nytta av den nanorförstärkta hydrogelen. Alireza Dolatshahi-Pirouz förklarar:"Ben är en dynamisk vävnad som hela tiden byggs, bryts ner och byggs om i en process som kallas ombyggnad. Denna process styrs av många samverkande faktorer, och när denna balans är störd, problemet uppstår. När vi blir äldre orsakas en sådan obalans ofta av hormonella förändringar, och intensifieras av att våra celler blir mindre effektiva och färre i antal. Tanken bakom detta nya system är att föra in en halvsyntetisk ställning i kroppen som attraherar stamceller och ger kraven för att förvandla dem till benceller, och därför, föra tillbaka balansen till benombyggnadscykeln."

63 kombinationer testades

För att bilda hydrogelen, teamet har tvärbunden hyaluronsyra, vilket är en kolhydrat som finns i de flesta mänskliga vävnader och används allmänt inom vävnadsteknik. Denna hydrogel i sig har några nackdelar, den är skör, har dåliga bärande egenskaper, och tål inte mycket yttre kraft eller stötar.

För att skapa ett starkare och mer hållbart material, hyaluronsyra kombinerades med ett alginatnätverk och förstärktes ytterligare med nanomaterial av lera. En sådan kombination leder till en mycket segare hydrogel med rätt styvhet, som fortfarande är tillräckligt porös för att upprätthålla transporten av näringsämnen genom hydrogelen.

De mest lovande kombinationerna testades med avseende på deras förmåga att bilda nya benceller, och in vitro-studier visade att hydrogelerna kunde bilda mineraliserat ben i en differentieringsfaktorfri miljö. Resultaten avslöjade att när dessa cellladdade hydrogeler deponerades i en bendefekt in vitro-modell, ny benbildning inträffade som fäste tätt vid bendefekten. "Vi tror att de specifika nanolermaterial vi använder ger den nödvändiga mineralsammansättningen, och ge upphov till omvandlingen av stamceller till benvävnad, " säger Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Nästa steg

Kliniska prövningar pågår med samarbetspartners i Spanien, där cellfria hydrogeler implanteras i kroppen. Tanken är att hydrogelerna ska attrahera stamceller i kroppen, och fungerar som små fabriker som producerar föryngrade och effektivare stamceller. "Det kan också vara riktigt coolt att införliva elektronik i hydrogelen för att övervaka vad som händer i kroppen, till exempel i bendefekten, och om saker och ting inte fortskrider enligt planen, vi skulle kunna stimulera hydrogelen genom det elektroniska gränssnittet för att attrahera fler stamceller eller stimulera cellerna mer effektivt. Som sådan, vi skulle skapa en återkopplingsslinga för att övervaka framstegen och stimulera systemet beroende på feedbacken, ", tillade biträdande professor Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Resultaten publicerades i ACS tillämpade material och gränssnitt i en artikel med titeln "Kombinatorisk screening av nanoclay-förstärkta hydrogeler:en glimt av den "heliga gralen" i ortopedisk stamcellsterapi?"