Akhilesh K. Gaharwar leder forskning för att utveckla en ny klass av porösa nanopartiklar som kan styra stamcellsdifferentiering. På bilden ovan är de lila sektionerna aktincytoskelett av mänskliga mesenkymala stamceller, den blå fläcken i det övre vänstra området är cellkärnan och den gröna representerar 2D-kovalenta organiska ramverk (COF) nanopartiklar. Kredit:Akhilesh K. Gaharwar
Stamceller kan utvecklas till många olika typer av celler i kroppen. Till exempel, när en person skadas, kommer stamceller till platsen för skadan och hjälper till att läka skadade vävnader. Ny nanoteknik utvecklad av ett team av forskare från Texas A&M University skulle kunna utnyttja kroppens regenerativa potential genom att styra stamceller att bilda benvävnad.
Akhilesh K. Gaharwar, docent och Presidential Impact Fellow vid Institutionen för biomedicinsk teknik och en fellow vid American Institute for Medical and Biological Engineering, leder laget. Forskarna har utvecklat vattenstabila, 2D covalent organic framework (COF) nanopartiklar som kan styra differentieringen av mänskliga mesenkymala stamceller till benceller.
Betydande forskningsuppmärksamhet har ägnats 2D COFs - porösa organiska polymerer - på grund av deras kristallinitet, ordnade och avstämbara porösa struktur och höga specifika ytarea. Men svårigheten att bearbeta COFs till material i nanostorlek - tillsammans med deras dåliga stabilitet - har begränsat deras tillämpning inom regenerativ medicin och läkemedelsleverans. Det finns ett behov av nya tillvägagångssätt som ger dessa COF tillräcklig fysiologisk stabilitet samtidigt som de bibehåller deras biokompatibilitet.
Gaharwars team har förbättrat den hydrolytiska (vatten) stabiliteten hos COF genom att integrera dem med amfifila polymerer, som är makromolekyler som innehåller både hydrofoba och hydrofila komponenter. Detta tillvägagångssätt, som inte har rapporterats tidigare, ger vattendispergerbarhet till COF, vilket möjliggör biomedicinsk tillämpning av dessa nanopartiklar.
"Såvitt vi vet är detta den första rapporten som visar förmågan hos COFs att rikta stamceller mot benvävnad," sa Gaharwar. "Denna nya teknik har potential att påverka behandlingen av benregenerering."
Forskarna fann att 2D COF inte påverkar en cells livsduglighet och spridning, även vid högre koncentrationer. De observerade att dessa 2D COFs uppvisar bioaktivitet och riktar stamceller mot benceller. Den preliminära studien visade att formen och storleken på dessa nanopartiklar kan ge denna bioaktivitet, och ytterligare djupgående studier måste utföras för mekanistiska insikter.
Dessa nanopartiklar är mycket porösa, och Gaharwars team har utnyttjat denna unika egenskap för läkemedelsleverans. De kunde ladda ett osteo-inducerande läkemedel som heter dexametason i den porösa strukturen av COF för att ytterligare förbättra benbildningen.
"Dessa nanopartiklar kan förlänga leveransen av läkemedel till mänskliga mesenkymala stamceller, som vanligtvis används vid benregenerering", säger Sukanya Bhunia, seniorförfattare till studien och postdoc-assistent vid den biomedicinska ingenjörsavdelningen. "Den ihållande leveransen av läkemedlet resulterade i förbättrad stamcellsdifferentiering mot benlinje, och den här tekniken kan användas för benregenerering."
Gaharwar noterade att, efter att ha tillhandahållit ett proof-of-concept, kommer lagets nästa steg i sin forskning att vara att utvärdera denna nanoteknik i en sjuk modell.
Dessa fynd är viktiga för den framtida designen av biomaterial som kan ge anvisningar för vävnadsregenerering och läkemedelstillförsel.
Resultaten publicerades i Advanced Healthcare Materials tidning. Andra forskningsbidragsgivare är Manish Jaiswal, Kanwar Abhay Singh och Kaivalya Deo från den biomedicinska ingenjörsavdelningen vid Texas A&M. + Utforska vidare
