Under de senaste decennierna har materialvetare och kemister arbetat med att designa allt mer sofistikerade material för ett brett spektrum av tekniska och vetenskapliga tillämpningar. Dessa material inkluderar syntetiska polymerer och hydrogeler som kan införas i människokroppen som en del av medicinska ingrepp.

Forskare vid Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Technische Universität Dresden och andra institut i Tyskland designade nyligen nya helsyntetiska material med en dynamisk DNA-tvärbunden matris som kan visa sig användbar för att skapa organoider (konstgjorda organ) och andra biomimetiska system . Dessa material, introducerade i Nature Nanotechnology , är mångsidiga, programmerbara och relativt billiga, vilket gör dem fördelaktiga för medicinsk och biologisk forskning.

"Polymerkemi kan skapa material med underbara egenskaper", säger Elisha Krieg, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Tänk på vardagsprodukter som leksaker och förpackningar, men också skottsäkra västar, fallskärmar, medicinska implantat, etc. Men dessa material är väldigt statiska - det är inte lätt att ändra deras egenskaper, när de väl gått sönder kan de inte läka sig själva och deras egenskaper. är svåra att förutsäga vår grupp försöker göra material som är mer besläktade med levande materia:adaptiva, självläkande och programmerade för att uppfylla specifika funktioner."

Området DNA-nanoteknologi, som först etablerades av Ned Seeman, fokuserar på design och tillverkning av artificiella DNA-strukturer med möjliga biomedicinska och biofysiska tillämpningar. Tidigare DNA-nanoteknikstudier visade att DNA kan omprogrammeras för att kontrollera materiens egenskaper i nanometerskala.

Det senaste arbetet av Krieg och hans kollega Yu-Hsuan Peng bygger på tidigare forskningsinsatser inom detta område. Dess mål var att skapa en mjuk hydrogelmatris som kunde vara värd för levande celler och därmed kunna användas för att konstruera vävnad, organoider, medicinska implantat och andra biofysiska system.

"Vi hoppades att vi genom att använda principerna för DNA-nanoteknik kunde kontrollera egenskaperna hos vårt mjuka material för att optimalt stödja celler och styra deras utveckling," förklarade Krieg. "Vårt mål var att skapa ett material som är helsyntetiskt, biokompatibelt, och – viktigast av allt – dess mekaniska beteende ska vara justerbart utan att drastiskt ändra dess kemiska sammansättning. Sist men inte minst var det viktigt för oss att materialet skulle vara billigt, som vi hoppades att det skulle tillämpas av många andra grupper i framtiden."

För att skapa ett material som är mångsidigt, syntetiskt, biokompatibelt, programmerbart och prisvärt slog forskarna samman två olika komponenter. De första är tunga biologiskt funktionella polymerkedjor.

"Dessa polymerkedjor fungerar som en strukturell ställning för materialet," sa Krieg. "De har DNA-sidokedjor som tillåter ytterligare DNA-baserade moduler att integreras i materialet, tvärbinda polymeren och komplettera den med specifika funktioner."

Den andra komponenten i teamets material består av unika DNA-moduler. Dessa moduler är anslutna till materialet för att programmera dess egenskaper och egenskaper, vilket gör att det kan prestera på specifika sätt,

"En nyckelinnovation var vår användning av DNA-baserade "bibliotek" - komplexa blandningar av DNA-strängar - som gör tvärbindning mycket effektiv," sa Krieg. "DNA-bibliotekens sekvenser styr också viktiga egenskaper hos materialet, såsom plasticiteten och styvheten vid olika temperaturer."

Den dynamiska DNA-tvärbundna matrisen skapad av Krieg och hans kollegor, kallad DyNAtrix, skulle kunna användas för att odla en mängd olika celler i laboratoriemiljö, inklusive mänskliga pluripotenta stamceller och organoider. Anmärkningsvärt nog är deras material också självläkande och kan enkelt integreras med 3D-utskriftsteknik för att producera en mängd komplexa 3D-vävnader och strukturer.

"Att odla celler i DyNAtrix kan hjälpa till att svara på frågor inom utvecklingsbiologi, det skulle kunna användas för att odla vävnader för regenerativ medicin, eller för att testa effekten av specifika läkemedelskandidater med patienthärledda celler. Min förhoppning är att testa läkemedel i en in vitro cellodlingssystem kommer en dag helt att ersätta djurförsök."

Det nya materialet som introducerats av detta team av forskare har potential att snart främja biomekanisk, biofysisk och biomedicinsk forskning. DyNAtrix är helsyntetiskt, programmerbart, lätt att reproducera i stor skala och kan justeras med hög precision. Det kan också vara lättare att använda i kliniska miljöer jämfört med material från djur, såsom Matrigel (dvs. en matris extraherad från mustumörceller som ofta används för att odla celler i labbet).

I sina nästa studier planerar Krieg, Peng och deras kollegor att ytterligare undersöka de praktiska tillämpningarna av deras matris. De kommer till exempel att börja samarbeta med cellbiologer och hjälpa dem att använda DyNAtrix för att ta itu med specifika forskningsproblem.

"De justerbara mekaniska egenskaperna hos DyNAtrix gör den särskilt intressant för att svara på frågor inom mekanobiologin, såsom:hur påverkar mekaniska egenskaper (styvhet, viskositet, plasticitet) cellernas utveckling? Vilken relevans har dessa effekter i en levande organism Vilken relevans har de i sjukdomar som cancer Och exakt hur stimulerar den mekaniska miljön ett svar i levande vävnader? Krieg tillade.

"Arbetet i vårt labb är för närvarande fokuserat på att utöka funktionerna hos DyNAtrix. Till exempel, genom att koppla in fluorescerande kraftsensorer, hoppas vi att mekanisk interaktion mellan celler och deras miljö kan kvantifieras i mikroskopet."

DyNAtrix-matrisen är fortfarande i sin tidiga utvecklingsstadium, eftersom den fortfarande kräver att forskare manuellt lägger till DNA-moduler för att inducera förändringar i ett material egenskaper. I framtiden hoppas teamet att ytterligare förbättra sin sammansättning och prestanda, till exempel genom att använda mer sofistikerade DNA-baserade reaktionsnätverk som skulle tillåta det att autonomt reagera på cellers beteende.

Mer information: Y.-H. Peng et al, Dynamiska matriser med DNA-kodad viskoelasticitet för cell- och organoidkultur, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.

Journalinformation: Nanoteknik i naturen

© 2023 Science X Network