Vävnadsteknik, som involverar användning av transplantat eller byggnadsställningar för att hjälpa cellregenerering, växer fram som en nyckelmedicinsk praxis för att behandla volymetrisk muskelförlust (VML), ett tillstånd där en betydande mängd muskelvävnad går förlorad utöver kroppens naturliga regenerativa kapacitet. För att förbättra kirurgiska resultat ger traditionella muskeltransplantat plats för konstgjorda byggnadsställningar, med MXene-nanopartiklar (NP) som framstår som ett lovande alternativ.
MXene NP är 2D-material som huvudsakligen består av övergångsmetallkarbider och nitrid. De är mycket elektriskt ledande, kan rymma ett brett spektrum av funktionella grupper och har staplade strukturer som främjar cellinteraktioner och muskeltillväxt. Även om det har förekommit praktiska demonstrationer i laboratoriet som visar deras förmåga att främja återuppbyggnaden av skelettmuskler, är den specifika mekanismen med vilken de gör det fortfarande oklart.
För att komma till rätta med denna lucka utvecklade docent Yun Hak Kim från institutionen för anatomi och institutionen för biomedicinsk informatik tillsammans med professorerna Suck Won Hong och Dong-Wook Han från institutionen för kogno-mekatronik vid Pusan National University nanofibrösa matriser som innehåller MXene NP:er som byggnadsställningar. De använde DNA-sekvensering för att avslöja generna och biologiska vägar aktiverade av MXene NPs för att hjälpa till med muskelregenerering.
Dessa fynd, publicerade i Nano-Micro Letters , markerar ett betydande framsteg i användningen av MXene-ställningar för att behandla muskelskador.
"Denna upptäckt utgör en potentiell väg för användningen av dessa material för att öka effektiviteten av muskelvävnadsregenerering efter skada eller skada", förklarar professor Kim.
I den inledande fasen skapade teamet en nanofibrös PCM-matris innehållande poly(laktid-co-ε-kaprolakton) (P), förstärkt med kollagen (C) och Ti3 C2 Tx MXene nanopartiklar (M). För att bestämma den specifika effekten av MXene NPs på muskeltillväxt förberedde de tre kontroller:orörda PLCL (P), PLCL med kollagen (PC) och PLCL med MXene (PM). Efter att ha testat alla ställningar på musmodeller med inducerad volymetrisk muskelförlust, observerade forskarna en signifikant ökning av det totala antalet muskelceller i PCM-behandlade möss jämfört med de andra grupperna.
För att förstå hur MXene nanopartiklar (NP) påverkar muskelregenerering och tillväxt på molekylär nivå, introducerade forskarna C2 C12 myoblaster, som är föregångare till muskelceller, på PC- och PCM-matriser. Målet var att analysera skillnaderna i genuttrycksnivåer mellan de två matriserna. Inom PCM-matrisen identifierades en ökad produktion av inducerbart kväveoxidsyntas (iNOS) och serum/glukokortikoid-reglerat kinas 1 (SGK1) – två proteiner som är nära associerade med kalciumsignalering och muskelregenerering.
Dessa resultat tyder på att MXener främjar kalciumjoner (Ca 2+ ) avsättning runt celler. Detta ökade nivåerna av intracellulärt Ca 2+ utlöser aktiveringen av gener som producerar iNOS- och SGK1-proteiner. SGK1 påverkar mTOR-AKT-vägen, främjar cellproliferation, överlevnad och myogenes - omvandlingen av myoblaster till muskelfibrer. Samtidigt ökar iNOS produktionen av kväveoxid (NO), vilket bidrar till myoblastproliferation och muskelfiberfusion.
De kombinerade effekterna leder till utvecklingen av mogen muskelvävnad. De anpassade PCM nanofibrösa matriserna erbjuder biofysiska signaler för intracellulär biokemisk signalering, vägledande myogena beteenden. Den här upptäckten bidrar till vår förståelse av MXenes potential att återväxt muskler och lovar att förfina ställningskonstruktioner för att förbättra denna process ytterligare.
"Inom 5 till 10 år kan den här forskningen ge banbrytande behandlingar för muskelskador. MXene NP-infunderade matriser kan bli en rutin i medicinsk praktik för idrottare, personer med muskelrelaterade sjukdomar och de som återhämtar sig från muskelrelaterade trauman eller operationer, " säger Prof. Kim. "Dessa NPs kan förbättra muskelregenereringsmetoderna, erbjuda förbättrade resultat för rekonstruktiva operationer och tillstånd som muskeldystrofi, där muskelfunktionen äventyras."
De MXene NP-infunderade matriserna har potential för anpassning för att möta olika behov vid behandling av muskelförlustskador. Denna anpassning kan innebära att justera sammansättning, struktur eller egenskaper för att matcha specifika patientkrav, som storlek, form eller ökad bioaktivitet. Att skräddarsy dessa material kan erbjuda personliga lösningar för olika svårighetsgrad av muskelförlust. Dessutom kan den observerade förbättrade muskelregenereringen hjälpa till med en mer effektiv återhämtning, vilket potentiellt kan minska behovet av rehabilitering efter behandling.
Dessa matriser, med kontrollerbara mekaniska egenskaper, lovar att förbättra in vivo muskelregenerering. Ytterligare forskning om MXene lovar utökade kliniska tillämpningar, som potentiellt gynnar människors välbefinnande.
Mer information: Moon Sung Kang et al, Highly Aligned ternära nanofibermatriser laddade med MXene påskyndar regenerering av volymetrisk muskelförlust, nano-mikrobokstäver (2024). DOI:10.1007/s40820-023-01293-1
Tillhandahålls av Pusan National University
