En ny metod för att manipulera de gelliknande miljöer som inrymmer stamceller kan hjälpa forskare att styra tillväxten av dessa mångsidiga celler in i ben, sena, vävnad eller andra specifika linjer, säger en biomedicinsk ingenjör från Texas A&M University som har utvecklat metoden.
Arbeta med kollagenbaserade hydrogeler, som är biologiskt nedbrytbara geler som används i ett antal biomedicinska tillämpningar på grund av deras kompatibilitet med kroppen och dess processer, Akhilesh Gaharwar har utvecklat en metod för att modulera deras styvhet utan att påverka kemi eller struktur – ett resultat som kan få stora konsekvenser för stamcellsforskningen. Gaharwar, biträdande professor vid universitetets institution för biomedicinsk teknik, har publicerat sina resultat i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano . Hela artikeln kan nås på pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b03918.
Specifikt, Gaharwar har kunnat öka en hydrogels styvhet med 10 gånger och dess seghet med 20 gånger genom en process där han lägger till en liten mängd sfäriska, magnetiska nanopartiklar till de kollagenbaserade hydrogelerna. Hela processen är klar på några sekunder, och det gör det möjligt för honom att anpassa gelén efter olika grader av styvhet och seghet, beroende på mängden nanopartiklar i materialet, säger Gaharwar.
Processen, han lägger till, har en annan distinkt fördel:den är cellvänlig. Eftersom Gaharwar använder extremt låga koncentrationer av nanopartiklar, hans process förändrar inte nämnvärt den kemiska sammansättningen av hydrogelen.
Kontrollera de fysikaliska egenskaperna hos hydrogeler, Gaharwar förklarar, är viktigt eftersom dessa geler måste vara hållbara samtidigt som de matchar egenskaperna hos de vävnader som de simulerar när de används i kroppen – till exempel, när de fungerar som ställningar som hjälper till med läkning av inre skador. Det är bara en av en mängd biomedicinska tillämpningar som Gaharwars hydrogel kan påverka. Förutom applikationer för vävnadsteknik, Gaharwars mekaniskt förbättrade hydrogel kan främja metoder för läkemedelsleverans, biosensorer och annan teknik, men det kan spela en ännu viktigare roll som ett verktyg för att lära sig om stamceller, han säger. Systemet, han förklarar, skulle kunna göra det möjligt för forskare att bättre förstå hur stamceller beter sig och till och med kontrollera hur de differentierar sig till specifika typer av celler.
Kända för sin förmåga att utvecklas till olika celltyper – som en muskel, blod- eller hjärnceller – stamceller har potential att fungera som ett internt reparationssystem, fylla på andra celler. Nyckeln till denna omvandling, Gaharwar noterar, är mikromiljön som omger stamcellerna. Beroende på var dessa stamceller finns i kroppen, dessa celler kommer att omvandlas till olika typer av celler, han förklarar. Till exempel, stamceller som sträcks i styvare miljöer kan i slutändan växa till benceller medan stamceller som förblir runda i mjukare miljöer kan utvecklas till brosk. Se det som en sorts dominoeffekt:stamcellens mikromiljö påverkar dess form, och stamcellens form påverkar dess utveckling till en specifik celltyp. Med tanke på detta faktum, Gaharwar tror att kontroll av styvheten i cellens miljö (i detta fall en hydrogel som omfattar stamceller) kan resultera i ökad kontroll av stamcellsdifferentiering.
Att kontrollera den miljön, Gaharwar säger, uppnås genom en process som kallas tvärbindning. Tvärbindning, han förklarar, involverar sammanfogning av polymerkedjorna som utgör en hydrogel så att de bildar ett sammankopplat nätverk som i princip tjänar en ryggrad för gelén och, som ett resultat, ökar dess styvhet. Att gå med i dessa kedjor kräver Gaharwars nanopartiklar, som fungerar som ett slags murbruk genom att länka dessa kedjor på molekylär nivå. Dessa sfäriska, järnoxid nanopartiklar, som har fått sina ytor modifierade av Gaharwar och hans team, har flera konjugationspunkter där polymerkedjorna fäster genom att bilda starka kemiska bindningar, han säger. När detta inträffar, ett nätverk av kedjor bildas och hydrogelen förstärks, han säger.
Andra standardteknologier som använder olika nanopartiklar resulterar inte i samma nivå av mekanisk styvhet eftersom nanopartiklarna inte kemiskt interagerar med polymerkedjorna i gelén; de är bara instängda, Gaharwar förklarar. Vad mer, de tillvägagångssätt som faktiskt uppnår ett visst mått av styvhet ger ofta en ovänlig miljö för cellen som resulterar i celldöd på grund av höga koncentrationer av förstärkningsmedlet, han säger. Gaharwars tillvägagångssätt övervinner den utmaningen genom att använda en 10, 000 gånger mindre koncentration av nanopartiklar.
"Genom att lägga till en minuts koncentration av nanopartiklar, vi kan få en drastisk ökning eller minskning av hydrogelens fysikaliska egenskaper, " säger Gaharwar. "Genom att ändra storleken och koncentrationen av nanopartiklarna, vi kan få hydrogeler som sträcker sig från en kilopascal till 200 kilopascal."
Drivs av de lovande första resultaten han och hans team har uppnått, Gaharwar planerar att fortsätta arbeta med den förbättrade hydrogelen för att avgöra om den verkligen kan utlösa en differentiering i stamceller. Dessa celler, han förklarar, behöver uppleva en dynamisk miljö (som de skulle göra i kroppen) där olika grader av kraft appliceras genom hydrogelen och upplevs av cellerna i den. I nästa fas av forskningen, han säger, hoppas kunna introducera denna externa stimuli med en bioreaktor så att mer djupgående studier kan genomföras.
