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生物材料

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牵引力将生长因子从细胞释放到愈合伤口

本·阿尔姆奎斯特
本·阿尔姆奎斯特

根据伦敦帝国学院研究人员的新实验,由含有不同化学基团的DNA链制成的分子被称为牵引力激活有效载荷(TrAP),可以用来帮助伤口愈合。新技术可能会导致与受损组织相互作用以建设性地促进修复过程的新一代材料的开发。

TrAP technology

有许多通常用于帮助伤口愈合的材料示例。这些包括治疗烧伤的胶原蛋白海绵和修复骨骼的类似支架的植入物。 “这些材料在组织修复过程中充当被动的旁观者,而伤口愈合是一个高度动态,高度协调的过程,在一段时间内涉及许多不同的细胞,” 本·阿尔姆奎斯特,谁领导了这项研究。 “ TrAP可能提供机会设计与这些不同细胞以不同方式在不同时间“对话”的材料,以刺激组织修复过程。”

由伤害引起的损害触发了一系列自然防御和修复机制,使细胞通过伤口中存在的胶原蛋白网络迁移。随着细胞的移动,它们对胶原蛋白结构施加拉力并施加牵引力,并且该运动激活了愈合的蛋白质,然后开始修复组织。

重现自然过程

Almquist及其同事设计了TrAP,以重现此自然过程。 TrAP的主要成分是短的单链DNA,长约30-40个核苷酸。与DNA的两条双螺旋以特定方式相互作用的双螺旋DNA不同,单链可以通过与自身相互作用而折叠成3D形状。

Almquist说:“当DNA折叠成3D结构时,它可以与蛋白质结合并通过适合蛋白质表面的小凹槽或口袋来抑制它们。” “这很重要,因为可以与蛋白质结合的是3D折叠结构。这些DNA分子属于称为适体的一类分子。”

为了制作TrAP,研究人员在单链DNA的一端添加了一个化学基团,然后将其用于将DNA连接到感兴趣的材料(例如胶原蛋白海绵)上。接下来,他们在链的另一端添加了一个短肽(蛋白质的小片段)。 “这种肽就像细胞可以抓住的'手柄',” Almquist解释说。

细胞拉动TrAP

当置于细胞培养物中时,研究人员观察到细胞在TrAP穿过胶原蛋白海绵时会拉动它们。牵引力产生的DNA像弓一样解开,解开以揭示并激活结合的蛋白质。这些蛋白质然后指示细胞生长和繁殖-就像伤口愈合的自然生物学过程中发生的情况一样。

这还不是全部:通过改变细胞的“手柄”,研究人员表明他们可以改变握住和拉动细胞的类型。这意味着可以根据存在的细胞来定制TrAP,以释放特定的愈合蛋白。

“例如,我们目前正在利用这些TrAP治愈临界大小的骨缺损的能力,” Almquist说。 “这些是骨骼中的缺陷,太大而无法自行修复。”

减少不良副作用

目前,治疗性蛋白质被用于促进骨骼愈合,但是由于传递效率低下,该技术需要的蛋白质比人体自然使用的蛋白质多数千倍。这可能会导致意想不到的后果,例如骨骼在不应该的软组织中生长。 “我们期望我们的TrAP能够显着减少有效蛋白质所需的量,减少这些不良副作用,同时由于所需蛋白质少得多,还可以降低总体治疗成本。”

其他可能的治疗领域包括减少心脏病发作后的疤痕组织和修复受损的神经,以及开发无法使用传统技术治愈的伤口的治疗方法。 Almquist说,其中一个例子就是糖尿病足溃疡,这是小腿非创伤性截肢的主要原因。

他补充说,TrAP是完全合成的,而且制造相对简单,这意味着它们可以扩大到工业规模。它们也比通过蛋白质工程技术制造的结构便宜。

转移到诊所

他告诉我们:“我们使用适体来制造TrAP的事实也很重要。” 物理世界。这些分子中的少数已经被临床批准(或正在进行临床试验)。这意味着我们开发的技术将更易于转移到诊所。”

研究人员,他们在 先进材料 doi.org/10.1002/adma.201806380,获得了“蓝天”研究资助, 工程与物理科学研究委员会(EPSRC) 去年测试了他们的平台对大骨缺损的愈合情况。 Almquist说:“这是将该技术引入临床的关键步骤,它有可能改变我们使用治疗性蛋白质进行伤口愈合的方式。”

“由于之前从未有一种利用细胞上的物质来释放治疗药物的方法,因此,关于如何最佳地设计这些TrAP以获得最大的影响和功效,我们尚不了解。因此,我们现在正忙于更好地理解这种影响背后的机制。”

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者