Biomedische ingenieurs van Duke University en Washington University in St. Louis hebben aangetoond dat, door een kunstmatig eiwit te injecteren dat is gemaakt van een oplossing van geordende en ongeordende segmenten, een solide steiger vormt als reactie op lichaamswarmte, en integreert in een paar weken naadloos in weefsel.

Door deze segmenten te combineren tot eiwitten met unieke eigenschappen, kunnen onderzoekers de eigenschappen van nieuwe biomaterialen nauwkeurig controleren voor toepassingen in weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde.

Het onderzoek verschijnt op 15 oktober online in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Eiwitten functioneren door vouwen, origami-achtig, en interactie met specifieke biomoleculaire structuren. Onderzoekers geloofden eerder dat eiwitten een vaste vorm nodig hadden om te kunnen functioneren, maar in de afgelopen twee decennia is er een groeiende belangstelling voor intrinsiek ongeordende eiwitten (IDP's). In tegenstelling tot hun goed gevouwen tegenhangers, IDP's kunnen een overvloed aan verschillende structuren aannemen. Echter, deze structurele voorkeuren zijn niet willekeurig, en recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat er goed gedefinieerde regels zijn die informatie in de aminozuursequenties van IDP's verbinden met de verzamelingen structuren die ze kunnen aannemen.

Onderzoekers hebben de hypothese geopperd dat veelzijdigheid in eiwitfunctie haalbaar is door goed gevouwen eiwitten aan elkaar te rijgen met IDP's - eerder als parelkettingen. Deze veelzijdigheid is duidelijk in biologische materialen zoals spier- en zijdevezels, die zijn gemaakt van eiwitten die geordende en ongeordende regio's combineren, waardoor de materialen eigenschappen kunnen vertonen zoals de elasticiteit van rubber en de mechanische sterkte van staal.

IDP's zijn instrumenteel voor de cellulaire functie, en veel biomedische ingenieurs hebben hun inspanningen geconcentreerd op een uiterst nuttige IDP, elastine genaamd. Een zeer elastisch eiwit dat door het hele lichaam wordt aangetroffen, elastine zorgt ervoor dat bloedvaten en organen, zoals de huid, baarmoeder en longen - om terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm nadat ze zijn uitgerekt of gecomprimeerd. Echter, het creëren van de elastine buiten het lichaam bleek een uitdaging.

Dus besloten de onderzoekers om een ​​reductionistische technische benadering van het probleem te hanteren.

"We waren nieuwsgierig om te zien welke soorten materialen we konden maken door orde toe te voegen aan een anders zeer ongeordend eiwit, " zei Stefan Roberts, een doctoraat student in het Chilkoti-lab en eerste auteur op het papier.

Vanwege de uitdagingen van het gebruik van elastine zelf, het onderzoeksteam werkte met elastine-achtige polypeptiden (ELP's), dat zijn volledig ongeordende eiwitten die zijn gemaakt om stukjes elastine na te bootsen. ELP's zijn nuttige biomaterialen omdat ze faseveranderingen kunnen ondergaan - gaan van een oplosbare naar een onoplosbare toestand, of vice versa - als reactie op temperatuurveranderingen. Hoewel dit deze materialen bruikbaar maakt voor toepassingen zoals medicijntoediening op lange termijn, hun vloeistofachtige gedrag verhindert dat ze effectieve steigers zijn voor toepassingen op het gebied van weefselengineering.

Maar door geordende domeinen toe te voegen aan de ELP's, Roberts en het team creëerden "Frankenstein"-eiwitten die geordende domeinen en ongeordende regio's combineren, wat leidt tot zogenaamde gedeeltelijk geordende eiwitten (POP's), die zijn uitgerust met de structurele stabiliteit van geordende eiwitten zonder het vermogen van ELP's om vloeibaar of vast te worden via temperatuurveranderingen te verliezen.

Ontworpen als een vloeistof bij kamertemperatuur die stolt bij lichaamstemperatuur, deze nieuwe biomaterialen vormen een stabiele, poreuze steiger die bij injectie snel integreert in het omringende weefsel met minimale ontsteking en de vorming van bloedvaten bevordert.

"Dit materiaal is zeer stabiel na injectie. Het degradeert niet snel en het behoudt zijn volume heel goed, wat ongebruikelijk is voor een materiaal op basis van eiwitten, " zei Roberts. "Cellen gedijen ook goed in het materiaal, het opnieuw bevolken van het weefsel in het gebied waar het wordt geïnjecteerd. Al deze kenmerken zouden het een haalbare optie kunnen maken voor weefselmanipulatie en wondgenezing."

Hoewel de door de POP gecreëerde steiger stabiel was, het team merkte ook op dat het materiaal volledig opnieuw zou oplossen zodra het was afgekoeld. Bovendien, de vormings- en oplostemperaturen zouden onafhankelijk kunnen worden geregeld door de verhoudingen van ongeordende en geordende segmenten in het biomateriaal te regelen. Deze onafhankelijke afstembaarheid verleent vormgeheugens aan de POP's via een fenomeen dat bekend staat als hysterese, waardoor ze na een temperatuursignaal terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm.

Het Duke-team werkte samen met het laboratorium van Rohit Pappu, de Edwin H. Murty Professor of Engineering in de afdeling Biomedical Engineering aan de Washington University in St. Louis om de moleculaire basis van sequentie-gecodeerd hysteretisch gedrag te begrijpen. Tyler S. Harmon, dan een Ph.D. student in het Pappu-lab, ontwikkelde een rekenmodel om aan te tonen dat de hysterese voortkomt uit de differentiële interacties van geordende en ongeordende regio's met oplosmiddel versus alleen.

"Door de moleculaire basis voor afstembare hysterese te kunnen simuleren, zijn we op weg om op maat gemaakte materialen te ontwerpen met de gewenste structuren en vormgeheugenprofielen, "Zei Pappu. "Dit lijkt een tot nu toe niet herkend kenmerk te zijn van de synergie tussen geordende domeinen en IDP's."

Doorgaan, het team hoopt het materiaal in diermodellen te bestuderen om mogelijke toepassingen in weefselmanipulatie en wondgenezing te onderzoeken en een beter begrip te krijgen van waarom het materiaal vascularisatie bevordert. Als deze onderzoeken effectief zijn, Roberts is optimistisch dat het nieuwe materiaal de basis kan worden voor een biotechbedrijf. Ze willen ook een dieper begrip ontwikkelen van de interacties tussen de geordende en ongeordende delen in deze veelzijdige materialen.

"We zijn zo gefascineerd door het fasegedrag dat is afgeleid van de ongeordende domeinen dat we de eigenschappen van de geordende domeinen hebben verwaarloosd, wat heel belangrijk bleek te zijn, "Zei Chilkoti. "Door geordende segmenten te combineren met ongeordende segmenten, is er een hele nieuwe wereld van materialen die we kunnen creëren met een prachtige interne structuur zonder het fasegedrag van het ongeordende segment te verliezen, en dat is spannend."