Forskare vid Duke University och University of California, Los Angeles, har utvecklat ett biomaterial som avsevärt minskar ärrbildning efter sår, vilket leder till mer effektiv hudläkning. Detta nya material, som snabbt försämras när såret har stängt, visar att aktivering av ett adaptivt immunsvar kan utlösa regenerativ sårläkning, lämnar efter sig starkare och friskare läkt hud.

Detta arbete bygger på teamets tidigare forskning med hydrogelställningar, som skapar en struktur för att stödja vävnadstillväxt, påskyndar sårläkning. I deras nya studie, laget visade att en modifierad version av denna hydrogel aktiverar ett regenerativt immunsvar, som potentiellt kan hjälpa till att läka hudskador som brännskador, nedskärningar, diabetiska sår och andra sår som normalt läker med betydande ärr som är mer mottagliga för återskada.

Denna forskning visas online den 9 november, 2020 i tidningen Naturmaterial .

"Kroppen bildar ärrvävnad så snabbt som möjligt för att minska risken för infektion, för att minska smärta, och, i större sår, för att undvika vattenförlust genom avdunstning, "sa Maani Archang, en första författare på tidningen och en MD/Ph.D. student i Scumpia- och Di Carlo -laboratorierna vid UCLA. "Det är en naturlig process för sårläkning."

Nuvarande sårläkande hydrogeler tillgängliga för klinisk användning sitter på sårets yta, där de fungerar som förband och hjälper till att förhindra att såret torkar ut. Det i sin tur hjälper såret att läka snabbare, i allmänhet via ärrbildning.

Under deras 2015 Naturmaterial papper, forskargruppen, styrd av Duke's Tatiana Segura och UCLA:s Dino Di Carlo, utvecklade mikroporösa glödgade partikel (MAP) hydrogeler, som är ett mikropartikelbaserat biomaterial som kan integreras i såret istället för att sitta på hudens yta. Pärlorna i MAP -gelen länkar ihop men lämnar öppna utrymmen, skapa en porös struktur som ger stöd för celler när de växer över sårplatsen. När såret stängs, gelén löser sig långsamt, lämnar efter sig läkt hud.

Även om MAP -hydrogelerna möjliggjorde snabb celltillväxt och snabbare reparation, laget märkte att den läkta huden hade begränsade komplexa strukturer som hårsäckar och talgkörtlar. Teamet var nyfiket om de kunde ändra sitt biomaterial för att förbättra kvaliteten på den läkta huden.

"Tidigare hade vi sett det när såret började läka, MAP -gelén började tappa porositet, som begränsade hur vävnaden kunde växa genom strukturen, säger Don Griffin, en biträdande professor vid University of Virginia som är en första författare på tidningen och en tidigare postdoktor i Segura Lab. "Vi antog att en långsammare nedbrytningshastighet för MAP -ställningen skulle förhindra att porerna stängdes och ge ytterligare stöd till vävnaden när den växer, vilket skulle förbättra vävnadens kvalitet. "

Istället för att skapa en helt ny gel med nya material, teamet fokuserade istället på den kemiska länken som gjorde att ställningen naturligt kunde brytas ned av kroppen. I sina ursprungliga MAP -geler, denna kemiska länkare består av en aminosyrasekvens hämtad från kroppens egna strukturproteiner och arrangerad i en kemisk orientering som kallas L -kiralitet. Eftersom denna peptidsekvens och orientering är vanlig i hela kroppen, detta hjälper gelén att undvika att utlösa ett starkt immunsvar, men det möjliggör också snabb nedbrytning genom naturligt närvarande enzymer.

"Vår kropp har utvecklats för att känna igen och bryta ner denna aminosyrastruktur, så vi teoretiserade att om vi vänder strukturen till dess spegelbild, vilket är D -kiralitet, kroppen skulle ha svårare att försämra ställningen, sa Segura, professor i biomedicinsk teknik vid Duke. "Men när vi stoppade hydrogeln i ett mus sår, den uppdaterade gelen slutade med att göra precis tvärtom. "

Det uppdaterade materialet integrerades i såret och stödde vävnaden när såret stängdes. Men istället för att hålla längre laget upptäckte att den nya gelén nästan helt hade försvunnit från sårplatsen, lämnar bara några partiklar efter sig.

Dock, den läkte huden visade sig vara starkare och inkluderade komplexa hudstrukturer som vanligtvis saknas i ärr. Efter ytterligare utredning, forskarna upptäckte att orsaken till den starkare läkning - trots bristen på livslängd - var ett annat immunsvar mot gelén.

Efter en hudskada, kroppens medfödda immunsvar aktiveras omedelbart för att säkerställa att främmande ämnen som kommer in i kroppen snabbt förstörs. Om ämnen kan undkomma detta första immunsvar, kroppens adaptiva immunsvar slår igång, som identifierar och riktar det invaderande materialet med mer specificitet.

Eftersom den ursprungliga MAP -gelen tillverkades med den vanliga L -peptidstrukturen, det genererade ett milt medfött immunsvar. Men när laget placerade den omformulerade gelen i ett sår, den utländska D -kiraliteten aktiverade det adaptiva immunsystemet, som skapade antikroppar och aktiverade celler inklusive makrofager som målade och rensade ut gelén snabbare efter att såret stängdes.

"Det finns två typer av immunsvar som kan uppstå efter skada - ett destruktivt svar och ett mer milt regenerativt svar, "sa Scumpia, en biträdande professor i avdelningen för dermatologi vid UCLA Health och West Los Angeles VA Medical Center. "När de flesta biomaterial placeras i kroppen, de stängs av av immunsystemet och försämras eller förstörs så småningom. Men i denna studie, immunsvaret mot gelén inducerade ett regenerativt svar i den läkta vävnaden. "

"Denna studie visar oss att aktivering av immunsystemet kan användas för att luta balansen mellan sårläkning från vävnadsförstöring och ärrbildning till vävnadsreparation och hudregenerering, sa Segura.

Arbetar med Maksim Plikus, en regenerativ vävnadsexpert vid University of California, Irvine, laget bekräftade också att viktiga strukturer, som hårsäckar och talgkörtlar, bildades korrekt över ställningen. När laget grävde in i mekanismen, de fann att cellerna i det adaptiva immunsystemet krävs för detta regenerativa svar.

När teamet fortsätter att studera det regenerativa immunsvaret mot deras gel, de undersöker också möjligheten att använda den nya MAP -hydrogeln som en immunmodulerande plattform. "Teamet undersöker nu det bästa sättet att frigöra immunsignaler från gelén för att antingen framkalla hudregenerering eller utveckla hydrogel som en vaccinplattform, sa Scumpia.

"Jag är upphetsad över möjligheten att designa material som direkt kan interagera med immunsystemet för att stödja vävnadsregenerering", säger Segura. "Detta är ett nytt tillvägagångssätt för oss."