Nanomaterialen Inzetten voor Geavanceerde Regeneratieve Therapieën

Wie heeft nog nooit een film gezien waarin een mens zijn lichaam kan regenereren na neergeschoten of gestoken te zijn?

Een beroemd voorbeeld is Wolverine's zelfhelend vermogen. Hoewel we nog een stuk verwijderd zijn van zo'n prestatie, zijn het soms juist deze fantasies die wetenschappelijke vooruitgang drijven, en misschien kunnen we ze binnenkort werkelijkheid maken.

Één grote stap in deze richting is de productie van kunstmatige weefsels om natuurlijke te vervangen die verloren zijn of niet meer functioneel, zoals een titaniumprothese.

Toch, om het niveau van Marvel-personages in het regenereren van onze lijven te bereiken, moeten we een tandje bijschakelen en onze technologie naar het volgende niveau tillen; en het lijkt alsof we de grond hard raken.

Wetenschappers hebben een nieuwe strategie ontwikkeld die het menselijk helpt om zijn eigen weefsels te regenereren door nanomaterialen-gebaseerde benaderingen te gebruiken om de groei van cellen, de immuunrespons en weefselherstructurering te controleren.

Dit opwindende nieuwe wetenschapsveld staat bekend als regeneratieve geneeskunde.

Laat me je er meer over vertellen!

Wat hebben nanomaterialen te maken met regeneratieve geneeskunde?

In een van onze eerdere artikelen Geavanceerde Magnetische Nanodeeltjes voor Kankerdetectie en Behandeling, zagen we hoe een materiaal, als het wordt verkleind tot zeer kleine afmetingen, radicaal andere eigenschappen kan verwerven. De wetenschap beheerst, dag na dag, nieuwe toepassingen voor deze nanotechnologische eigenschappen.

Een van de grote beloften van nanomaterialen is de mogelijkheid om de immuunrespons te 'moduleren' door ze te koppelen aan humane biomoleculen (antistoffen, cytokininen, hormonen, etc...).

Maar wat betekent deze 'modulatie'?

De immuunrespons controleren

Het immuunsysteem is het leger van ons lichaam. En net als bij elk leger worden soldaten niet alleen gebruikt om aan te vallen en te vernietigen, maar ook als ondersteunende hulpbronnen. Bijvoorbeeld, het immuunsysteem gaat om allerhande onvoorziene omstandigheden, zoals het vernieuwen van weefsels na een letsel, en helpt bij het controleren van milieu-ontwrichtingen, door metabolische toxinen of schadelijke vreemde stoffen te elimineren.

Deze controle, of modulatie, wordt georchestreerd door een oneindig aantal biomoleculen (bijv. cytokininen, interleukinen en hormonen) wier concentratie fungeert als een signaal aan de cellen om hen te vertellen hoe ze zich te allen tijde moeten gedragen.

Wanneer we een kunstmateriaal in een patiënt gebruiken om een brandwond te bedekken, is het wenselijk dat het uiteindelijk geïntegreerd raakt in het lichaam van de patiënt. Concreet, we zouden willen dat de cellen van de patiënt het nieuwe materiaal koloniseren en ingroeien, zodat het uiteindelijk vervangen wordt door het eigen weefsel van de patiënt.

Helaas herkent het immuunsysteem het materiaal vaak als een entiteit vreemd aan ons lichaam en probeert het te isoleren door een muur eromheen te creëren van vezelbindweefsel via een proces bekend als fibrose. Dit is een materiaal arm aan cellen maar rijk aan moleculen (macromoleculen zoals collageen of fibrine) die de cellen structureel ondersteunen. Het heeft eigenschappen die significant verschillen van die van het oorspronkelijke weefsel. Velen van jullie zullen herkennen hoe stijf littekenweefsel voelt vergeleken met gewone huid. Een litteken in een gewricht kan zelfs de beweging ervan belemmeren.

Figuur 1 Hypertrofische littekenvorming met gewrichtscontractuur Aarabi S, Longaker MT, Gurtner GC (2007) Hypertrophic Scar Formation Following Burns and Trauma: New Approaches to Treatment. PLoS Med 4(9): e234. doi:10.1371/journal.pmed.0040234 — https://www.plosmedicine.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pmed.0040234

Benadrukt in mijn vorige artikel Van PLA tot Bio-printen: sciencefiction-tools voor het medische veld, is een strategie om om te gaan met deze afstoting door het immuunsysteem het gebruik van biomaterialen om gerustes (ondersteunende structuren om door de eigen cellen van de patiënt te worden gekoloniseerd) te bouwen uit moleculen zoals collageen. Helaas, als we een geruste implanteren die alleen uit collageenvezels bestaat, eindigt het lichaam in het reabsorberen van dit materiaal en, in het beste geval, het te vervangen door fibrose.

Dit kan ons interesseren als we een "kunstmatige litteken" willen creëren, bijvoorbeeld om de buikwand te herstellen na een breuk; waarin we een Phasix™ Mesh van Poly-4-hydroxybutyraat (P4HB) kunnen gebruiken om het wanddefect te dichten.

Om functionele integratie van elk implantaat te bereiken, moeten we celdifferentiatie sturen (d.w.z. elk cel zijn specifieke type en functie geven) en de mogelijkheid voorkomen dat het immuunsysteem het implantaat afstoot. We kunnen dit doen door nanomaterialen als 'dragers' te gebruiken om de biomoleculen af te leveren en als signalen om dit proces te sturen.

Maar wat als we die biomoleculen op elke gewenste plek vast kunnen maken of sturen?

Kunnen we het immuunsysteem controleren?

Bijvoorbeeld, de combinatie van nanomaterialen en antistoffen kan worden gebruikt om de immuunrespons te versterken, zoals in de strijd tegen kanker (antistof-gemodificeerde ijzeroxide-nanodeeltjes).

Sommige nanomaterialen hebben zelf al directe inhibitieve of stimulerende effecten (afhankelijk van het materiaal) op de immuunrespons (edelmetaalen, metaaloxide-nanodeeltjes, ceriumoxide of dendrimeren zijn enkele voorbeelden). Dus, door simpelweg het oppervlak van een implantaat te bekleiden met die nanodeeltjes, kunnen we eigenlijk een aanval van het immuunsysteem erop stoppen. [1]

Figuur 2 Nanomaterialen met directe inhibitieve effecten op de immuunrespons Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanoparticles and direct immunosuppression.1 May, 2016 Experimental Biology and Medicine 106 Volume: 241 issue: 10, pages: 1064-1073 ; https://doi.org/10.1177/1535370216650053 https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1535370216650053

Strategieën om nanomaterialen & biomoleculen op implantaatoppervlakken te immobiliseren

Zoals we al vermeldden, zijn er twee hoofddoelen om het oppervlak van een implantaat te bekleden: ofwel om de biocompatibiliteit te verhogen (om het immuunsysteem te voorkomen dat het het aanvalt) ofwel om biomoleculen te fixeren die celdeling stimuleren en sturen (om het implantaat te vervangen door het eigen weefsel van de patiënt).

Het idee om een biologische afbreekbare gerust (bekleed met groeifactoren) te implanteren die na verloop van tijd wordt vervangen door het weefsel van de patiënt is een onderwerp dat we al bespraken in Van PLA tot Bio-printen: sciencefiction-tools voor het medische veld. Zulke gerustes zijn nog in het onderzoeksfase maar het is slechts een kwestie van jaren voordat we ze potentieel in de klinische praktijk gaan zien.

Het verhogen van de biocompatibiliteit van vreemde materialen is een huidige noodzaak voor de industrie. Om ervoor te zorgen dat het menselijk lichaam een geïmplanteerd biomateriaal niet afstoot, moeten we de bekleding (nanomaterialen of biomolecuul-nanomateriaal complexen) die het immuunsysteem reguleert, aan het oppervlak van ons implantaat vastmaken. Dus, wanneer een cel van het immuunsysteem er te dicht bij komt, remt de bekleding de cel en voorkomt de generatie van een inflammatoire reactie rond het implantaat.

Maar hoe kunnen we zo'n bekleding maken?

Er zijn in basis twee manieren om de bekleding aan een implantaat te 'plakken': niet-covalente immobilisatie en covalente immobilisatie.

Niet-covalente immobilisatie (NCI):

NCI is de eenvoudigste en goedkoopste strategie om het implantaat te bekleden, maar hangt sterk af van hoe hydrofiel het implantaatmateriaal is. Het is gebaseerd op de elektrostatische ladingen die een aantrekkingskracht zouden genereren tussen het materiaal dat we implanteren en de bekleding.

Deze methode biedt een snelle vrijgave van biomoleculen, dus het is het meest handig wanneer we geïnteresseerd zijn in een abrupte maar kortdurende reactie. Het grootste voordeel is bovendien de lage productiekosten.

NCI kan worden toegepast via adsorptie (kleine deeltjes van groottes tussen 500 Å en 1 mm die zich aan het oppervlak hechten) of insluiting (deeltjes ingesloten in een poreus matrix). [2]

Bij insluiting wordt het matrix gemaakt met wateroplosbare polymeren zoals carrageenan, gedeeltelijk gehydrolyseerd collageen (gelatine), alginate, agar of cellulose-triacetaat.[2, 3]

Maar wat gebeurt er als het implantaatmateriaal hydrofiel is en de biomolecuul hydrofoob (of vice versa)?

Eén simpel idee kan een effectieve oplossing zijn: encapsulatie van de biomolecuul!

Encapsulatie is het omhullen van de biomolecuul, wat gemakkelijk uitgevoerd kan worden met polymeren, zoals agarose, poly(ethyleenglycol) (PEG), of poly(N-vinylpyrrolidon) (PVP).

Een voorbeeld van deze methode is het gebruik van een polysulfoon gerust gevuld met een biomolecuul-geïmpregneerde agarose geloplossing om de regeneratie van zenuwezelwels te sturen en inflammatie te reduceren [4].

Bovendien, als de gerust niet helemaal hydrofiel is, is de beste strategie om de biomolecuul te immobiliseren het encapsuleren in een afzonderlijke waterfase via een proces dat water-in-olie-in-water (of dubbele emulsie) wordt genoemd. We kunnen ook directe absorptie op het oppervlak van het materiaal uitvoeren met organische oplosmiddelen.

Een voorbeeld van een hydrofoob polymeer dat wijd wordt gebruikt voor het immobiliseren van biomoleculen zoals hormonale factoren of zelfs geneesmiddelen is poly(lactide-co-glycolide) (PLGA).

Covalente immobilisatie (CI)

Covalente immobilisatie bestaat uit het creëren van een onomkeerbare binding tussen onze specifieke biomoleculen en het polymeer waaruit ons implantaat gemaakt is, met behulp van wat we crosslinker agenten noemen; dat zijn chemische verbindingen die reageren op een fysieke conditie (warmte, licht...) en ons helpen een binding te creëren die bijvoorbeeld één polymere ketel aan een andere kan koppelen (we kunnen ze ons voorstellen als boeien die met licht of warmte gesloten worden om beide polymeren te koppelen).

Deze methode leidt tot een veel minder abrupte invloed op het immuunsysteem, doch is het veel langer durend; dus het is te verkiezen wanneer we geïnteresseerd zijn in een langdurige en stabiele reactie.

Het grote voordeel van deze methode is dat het ons in staat gestelt om gestratificeerde weefseldifferentiatie uit te voeren. Dit betekent dat we verschillende bindingspunten in onze gerust kunnen ontwerpen voor verschillende factoren, dus regio's creëren met verschillende biomolecuulconcentraties om een differentieel gestructureerd weefsel te bevorderen.

Als basiselement kunnen collageen-glycosaminoglycaan (CG) gerustes worden gebruikt (met carbodiimide als crosslinker gegeven de alomtegenwoordigheid van NH2-groepen op hun oppervlak).

Een voorbeeld van covalente immobilisatie zou de conjugatie van polyethyleenimine (PEI) met heparine zijn om een schede te creëren om de biocompatibiliteit van NiTi legeringoppervlakken te verhogen [5].

Eén crosslinker-methode die in recente jaren an belang wint, is het gebruik van Acrylaten om PEG-hydrogels te polymeriseren. Acrylaten zijn functionele groepen gevoelig voor ultraviolet licht. Deze groepen kunnen aan peptiden (of andere groeifactoren) worden toegevoegd, wat de synthese leidt door fotopolymerisatie van gerustes samengesteld uit polymeer-biomolecuul hybriden. De mogelijkheid om dit proces te integreren met 3D-printen om een structureel patroon aan onze gerust te geven, maakt fotopolymerisatie een van de meest relevante methoden om biomoleculen te immobiliseren.

Alternatieve fotolithografieprocessen zijn ook ontworpen, bijvoorbeeld gebruikt het Fraunhofer Instituut voor Grensvlaktechniek en Biotechnologie een methode die bestaat uit het hechten van groeifactoren aan CG-gerustes met behulp van benzofenon (BP). [6, 7]

Een ander meer selectief doelwit, vanwege zijn lagere alomtegenwoordigheid ten opzichte van de NH2-groep, is de SH-groep. Sulfhydryl-gebaseerde crosslinkers worden wijd gebruikt om een bekleding te creëren die de activatie van het complement (een heel belangrijk onderdeel van het immuunsysteem) tegen ons ent remt [8].

Figuur 3 Voorbeeld van Enzymimmobilisatie door Covalente Binding Fu J, Reinhold J, Woodbury NW (2011) Peptide-Modified Surfaces for Enzyme Immobilization. PLoS ONE 6(4): e18692. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018692 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0018692

Conclusies

Dus, duidelijk zijn er verschillende strategieën om biomoleculen op het oppervlak van een materiaal te immobiliseren om de immuunrespons of het differentiatieproces te controleren.

Voordat men een immobilisatiemethode kiest, is het belangrijk om de eigenschappen van het materiaal dat je gaat gebruiken en de biomolecuul-vrijgaveprofielcurve die je wilt bereiken te kennen. De beste aanpak is een combinatie van verschillende conjugatiemethoden, rekening houdend met het feit dat het immuunsysteem geen statische aard heeft. Het vertoont een dynamische variatie in de tijd.

De bekleding van implanten met nanomaterialen (of nanomateriaal-biomolecuul complexen) om de biocompatibiliteit van implanten te vergroten, wordt tegenwoordig wijd gebruikt. Dit feit staat echter scherp in contrast met het geval van fabricatie van gerustes met een gestratificeerde concentratie van geencapsuleerde of gebonden biomoleculen. Ondanks de enorme hoeveelheid activiteit in dit veld, zijn er vandaag de dag niet veel bedrijven die deze gerustes leveren, en zijn er nog veel regulatoire kwesties aan te pakken voordat deze producten op de markt komen.

Dat betekent dat we nog even moeten wachten om complete littekenvrije genezing te kunnen uitvoeren. Maar de wachtijd, waarschijnlijk, zal niet lang zijn. Deze veelbelovende technologie kan wel in dagelijkse medische praktijk worden gebruikt in nog geen paar jaar.