Tissue engineering zou de geneeskunde kunnen transformeren. In plaats van te wachten tot ons lichaam weer aangroeit of schade herstelt na een verwonding of ziekte, wetenschappers kunnen complex worden, volledig functionele weefsels in een laboratorium voor transplantatie in patiënten.

Eiwitten zijn de sleutel tot deze toekomst. In ons lichaam, eiwitsignalen vertellen cellen waar ze heen moeten, wanneer verdelen en wat te doen. In het labortorium, wetenschappers gebruiken eiwitten voor hetzelfde doel:het plaatsen van eiwitten op specifieke punten op of in geconstrueerde steigers, en vervolgens deze eiwitsignalen te gebruiken om celmigratie te controleren, deling en differentiatie.

Maar eiwitten in deze omgevingen zijn ook kwetsbaar. Om ze aan de steigers te laten kleven, onderzoekers hebben traditioneel eiwitten gemodificeerd met behulp van chemicaliën die meer dan 90 procent van hun functie doden. In een paper gepubliceerd op 20 mei in het tijdschrift Natuurmaterialen , een team van onderzoekers van de Universiteit van Washington onthulde een nieuwe strategie om eiwitten intact en functioneel te houden door ze op een specifiek punt aan te passen, zodat ze met licht chemisch aan de steiger kunnen worden vastgemaakt. Omdat de ketting ook met laserlicht kan worden doorgesneden, deze methode kan evoluerende patronen van signaaleiwitten creëren in een biomateriaal-steiger om weefsels te laten groeien die uit verschillende soorten cellen bestaan.

"Eiwitten zijn de ultieme communicatoren van biologische informatie, " zei corresponderende auteur Cole DeForest, een UW-assistent-professor chemische technologie en bio-engineering, evenals een aangesloten onderzoeker bij het UW Institute for Stem Cell &Regenerative Medicine. "Ze sturen vrijwel alle veranderingen in celfunctie aan - differentiatie, beweging, groei, dood."

Om die reden, wetenschappers hebben lang eiwitten gebruikt om celgroei en differentiatie in tissue engineering te beheersen.

"Maar de chemicaliën die door de gemeenschap het meest worden gebruikt om eiwitten aan materialen te binden, inclusief steigers voor tissue engineering, vernietigen de overgrote meerderheid van hun functie, " zei DeForest, die ook een faculteitslid is van het UW Molecular &Engineering Sciences Institute. "Historisch, onderzoekers hebben geprobeerd dit te compenseren door de scaffold simpelweg te overladen met eiwitten, wetende dat de meesten van hen inactief zullen zijn. Hier, we hebben een generaliseerbare manier bedacht om biomaterialen omkeerbaar te functionaliseren met eiwitten, terwijl ze hun volledige activiteit behouden."

Hun aanpak maakt gebruik van een enzym genaamd sortase, die in veel bacteriën voorkomt, om een ​​kort synthetisch peptide toe te voegen aan elk signaaleiwit op een specifieke locatie:de C-terminus, een plaats aanwezig op elk eiwit. Het team ontwerpt dat peptide zodanig dat het het signaaleiwit aan specifieke locaties vastbindt in een met vloeistof gevulde biomateriaal-steiger die gebruikelijk is in weefseltechnologie, bekend als een hydrogel.

Het richten op een enkele site op het signaaleiwit is wat de aanpak van het UW-team onderscheidt. Andere methoden wijzigen signaaleiwitten door chemische groepen aan willekeurige locaties te hechten, die vaak de functie van het eiwit verstoort. Het wijzigen van alleen de C-terminus van het eiwit verstoort veel minder de functie ervan, volgens DeForest. Het team testte de aanpak op meer dan een half dozijn verschillende soorten eiwitten. De resultaten tonen aan dat het wijzigen van de C-terminus geen significant effect heeft op de eiwitfunctie, en bindt met succes de eiwitten door de hydrogel.

Hun aanpak is analoog aan het ophangen van een ingelijste kunst aan een muur. In plaats van willekeurig spijkers door het glas te slaan, doek en lijst, ze rijgen een enkele draad over de achterkant van elk frame om het aan de muur te hangen.

In aanvulling, de koorden kunnen worden doorgesneden door blootstelling aan gericht laserlicht, het veroorzaken van "photorelease" van de eiwitten. Met behulp van dit wetenschappelijke lichtzwaard kunnen de onderzoekers een hydrogel laden met veel verschillende soorten eiwitsignalen, en stel de hydrogel vervolgens bloot aan laserlicht om eiwitten uit bepaalde secties van de hydrogel los te maken. Door selectief slechts delen van de materialen aan het laserlicht bloot te stellen, het team controleerde waar eiwitsignalen aan de hydrogel zouden blijven vastzitten.

Het losmaken van eiwitten is nuttig in hydrogels omdat cellen die signalen dan kunnen opnemen, ze in het binnenste van de cel brengen waar ze processen zoals genexpressie kunnen beïnvloeden.

Het team van DeForest testte het photorelease-proces met een hydrogel geladen met epidermale groeifactor, een soort eiwitsignaal. Ze brachten een menselijke cellijn in de hydrogel en observeerden de groeifactoren die aan de celmembranen binden. Het team gebruikte een laserstraal om de eiwitsignalen aan één kant van een individuele cel los te maken, maar niet de andere kant. Aan de vastgebonden kant van de cel, de eiwitten bleven aan de buitenkant van de cel omdat ze nog aan de hydrogel vastzaten. Aan de ongebonden kant, de eiwitsignalen werden door de cel geïnternaliseerd.

"Op basis van hoe we het laserlicht richten, we kunnen ervoor zorgen dat verschillende cellen - of zelfs verschillende delen van afzonderlijke cellen - verschillende omgevingssignalen ontvangen, ', aldus DeForest.

Dit unieke niveau van precisie binnen een enkele cel helpt niet alleen bij tissue engineering, maar met fundamenteel onderzoek in celbiologie, voegde DeForest toe. Onderzoekers zouden dit platform kunnen gebruiken om te bestuderen hoe levende cellen reageren op meerdere combinaties van eiwitsignalen, bijvoorbeeld. Deze onderzoekslijn zou wetenschappers helpen begrijpen hoe eiwitsignalen samenwerken om celdifferentiatie te controleren, ziek weefsel genezen en de menselijke ontwikkeling bevorderen.

"Dit platform stelt ons in staat om precies te controleren wanneer en waar bioactieve eiwitsignalen worden gepresenteerd aan cellen in materialen, "zei DeForest. "Dat opent de deur naar vele opwindende toepassingen in weefselengineering en therapeutisch onderzoek."