Yttre sår såsom skärsår eller skrubbsår kan ofta lätt täckas med ett enkelt plåster eller ett större sårplåster för att skydda dem och underlätta deras läkning. När det gäller vissa inre ytor som de i tarmen som är belagda med ett slemskikt, dock, sådana konventionella sårläkande material är ineffektiva eftersom slemmet hindrar deras fasta fäste och snabbt för bort dem från sårstället.

Nu, forskare vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en lösning på detta problem i form av probiotiska hydrogeler gjorda av mucoadhesiva nanofibrer och producerade av en konstruerad naturlig tarmbakterie. Hydrogelerna kan enkelt produceras från bakteriekulturer och appliceras som längre livslängd självregenererande "levande geler" eller kortare "cellfria geler" på tarmytor via sprutor, spray, och endoskopiska tekniker för att tillhandahålla en tätning. Studien publiceras i Avancerade material .

"Denna nya typ av konstruerat levande material med sin enkla produktion och lagringsbarhet, biokompatibilitet, och mukoadhesiva egenskaper kan vara en dörröppnare för bioaktiva sårläkningsstrategier för användning inuti människans tarmlumen, sa Neel Joshi, som är en kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute och docent vid SEAS. "Vi kan i huvudsak programmera det normala nanofiberproducerande molekylära maskineriet av icke-patogena E coli att producera hydrogeler som har en viskositet som starkt liknar den hos slem, och med mucoadhesiva kapaciteter inbyggda i dem; och deras modularitet kan tillåta oss att ställa in dem för att matcha specifika delar av mag-tarmkanalen med deras individuella slemkompositioner och strukturer."

Joshis och andra laboratorier har tidigare utnyttjat kommensala stammar av E coli att utsöndra biofilmbildande nanofibrer, och som levande gjuterier för tillverkning av läkemedel, finkemikalier, eller ämnen som kan hjälpa till med miljösanering genom att konstruera CsgA-proteinet som bakterierna utsöndrar, som självmonterar till curlinanofibrer i den extracellulära miljön. I dessa tidigare applikationer, CsgA modifierades för att möjliggöra ytterligare enzymatiska eller strukturella funktioner, såsom utförandet av en kemisk reaktion som krävs för syntesen av ett läkemedel eller kemikalie. Dock, Curli nanofiberbaserade material har hittills inte utvecklats för direkt användning som terapeutika.

"Naturligt producerade biofilmer är kända för att hindra sårläkningsprocesser upp till en punkt där de måste hanteras aktivt av läkare. Vi har i princip hackat ett av kärnmaskineriet som producerar dem med det långsiktiga målet att göra precis tvärtom , att producera material som kan stödja sårläkning i en miljö som är otillgänglig för andra material, " sa första författaren Anna Duraj-Thatte, som är en postdoktorand i Joshis team.

För att möjliggöra bildandet av extracellulära hydrogeler, forskarna programmerade en icke-patogen stam av tarmbakterien E coli att syntetisera en variant av CsgA curli-proteinet som är fuserat till den slembindande domänen från mänskliga trefoil-faktorer (TFF). TFF samutsöndras av slemproducerande celler för att skydda slemhinneepitel från en rad förolämpningar, och hjälpa dem att reparera skador. Ett enkelt filtreringssteg möjliggör ren separation av den levande bakterieinnehållande hydrogelen från resten av kulturen, medan de cellfria gelerna kräver ytterligare ett steg där bakterierna dödas med en enkel kemisk behandling. "Vi tror att närvaron av TFF-domänerna gör det möjligt för olika curlifibrer att tvärbinda till varandra och bilda ett vattenlagrande nät, och visade att de exakta hydrogelegenskaperna beror på vilken typ av TFF som används, " sa Duraj-Thatte.

Samarbetar med Jeffrey Karp och instruktör i medicin Yuhan Lee på Brigham and Women's Hospital, teamet testade specificiteten för vävnadsvidhäftning baserat på typen av bifogade domäner i hydrogelen. När TFF presenterades på hydrogelerna, de förbättrade vidhäftningen endast till den lumen-exponerade slemhinneytan på ett vävnadsprov från gettarm. Alternativt when a domain binding to fibronectin protein—which is not found on the mucosa, but on the outward-facing serosal surface of the colon—the hydrogels instead preferentially stuck to the serosal side of the colon tissue sample.

"Since hydrogels with different TFF domains can be easily sprayed onto tissue surfaces with controllable adhesion and functional activity, we envision their potential use in endoscopic procedures to treat intestinal disorders, like a spray-on bandage, " said Karp, who is a professor of medicine at Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School.

When given orally to mice, the cell-containing live gels could withstand the harsh pH and digestive conditions of the stomach and small intestine to reach the cecum with the bacteria intact. The team also found that hydrogels bearing one particular TFF domain (TFF2) enhanced retention of the material in the colon. "The presence of bacteria in live gels prolonged their residency times in the gut from one day to at least five days due to the bacteria's ability to continuously regenerate the curli fiber networks that are decorated with TFFs, without affecting the health of mice in any obvious way, " said Joshi.

"This is a great example of synthetic biology-based jujutsu in which Joshi's team took a major problem created by bacteria—the biofilms they create that are so difficult to access and remove—and then flipped the problem on its head through genetic engineering so that the biofilm now essentially becomes a healing Band-aid for our gut. It's an amazing example of biologically inspired engineering at its best, " said Wyss Director Donald Ingber, the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as professor of bioengineering at SEAS.

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.