Onderzoekers aan de Duke University en de University of California, Los Angeles, hebben een biomateriaal ontwikkeld dat littekenvorming na verwonding aanzienlijk vermindert, wat leidt tot een effectievere huidgenezing. Dit nieuwe materiaal, die snel afbreekt zodra de wond is gesloten, toont aan dat het activeren van een adaptieve immuunrespons regeneratieve wondgenezing kan veroorzaken, waardoor een sterkere en gezondere genezen huid achterblijft.

Dit werk bouwt voort op het eerdere onderzoek van het team met hydrogelsteigers, die een structuur creëren om weefselgroei te ondersteunen, wondgenezing versnellen. In hun nieuwe studie het team toonde aan dat een aangepaste versie van deze hydrogel een regeneratieve immuunrespons activeert, die mogelijk kunnen helpen bij het genezen van huidletsels zoals brandwonden, bezuinigingen, diabetische zweren en andere wonden die normaal gesproken genezen met significante littekens die vatbaarder zijn voor opnieuw letsel.

Dit onderzoek verschijnt op 9 november online 2020 in het journaal Natuurmaterialen .

"Het lichaam vormt zo snel mogelijk littekenweefsel om de kans op infectie te verkleinen, om pijn te verminderen, en, bij grotere wonden, om waterverlies door verdamping te voorkomen, " zei Maani Archang, een eerste auteur op het papier en een MD/Ph.D. student in de Scumpia en Di Carlo labs aan de UCLA. "Het is een natuurlijk proces van wondgenezing."

Huidige wondgenezende hydrogels die beschikbaar zijn voor klinisch gebruik, zitten op het oppervlak van de wond, waar ze als verband dienen en helpen voorkomen dat de wond uitdroogt. Dat op zijn beurt helpt de wond sneller te genezen, meestal via littekenvorming.

In hun 2015 Natuurmaterialen papier, het onderzoeksteam, begeleid door Duke's Tatiana Segura en UCLA's Dino Di Carlo, ontwikkelde microporeuze gegloeide deeltjes (MAP) hydrogels, die een op microdeeltjes gebaseerd biomateriaal zijn dat zich in de wond kan integreren in plaats van op het huidoppervlak te zitten. De kralen in de MAP-gel verbinden met elkaar maar laten open ruimtes, het creëren van een poreuze structuur die de cellen ondersteunt terwijl ze over de wond groeien. Als de wond zich sluit, de gel lost langzaam op, genezende huid achterlatend.

Hoewel de MAP-hydrogels snelle celgroei en sneller herstel mogelijk maakten, het team merkte op dat de genezen huid beperkte complexe structuren had, zoals haarzakjes en talgklieren. Het team was benieuwd of ze hun biomateriaal konden aanpassen om de kwaliteit van de genezen huid te verbeteren.

"Eerder hadden we gezien dat toen de wond begon te genezen, de MAP-gel begon porositeit te verliezen, die beperkte hoe het weefsel door de structuur kon groeien, " zegt Don Griffin, een assistent-professor aan de Universiteit van Virginia, een eerste auteur van het papier en een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Segura Lab. "We veronderstelden dat het vertragen van de afbraaksnelheid van de MAP-steiger zou voorkomen dat de poriën sluiten en extra ondersteuning zou bieden aan het weefsel terwijl het groeit, wat de kwaliteit van het weefsel zou verbeteren."

In plaats van een geheel nieuwe gel te creëren met nieuwe materialen, het team concentreerde zich in plaats daarvan op de chemische linker waardoor de steiger op natuurlijke wijze door het lichaam kon worden afgebroken. In hun originele MAP-gels, deze chemische linker is samengesteld uit een aminozuursequentie die is genomen uit de lichaamseigen structurele eiwitten en is gerangschikt in een chemische oriëntatie die L-chiraliteit wordt genoemd. Omdat deze peptidevolgorde en -oriëntatie overal in het lichaam voorkomt, dit helpt de gel om een ​​sterke immuunrespons te voorkomen, maar het maakt ook gemakkelijke afbraak mogelijk door natuurlijk aanwezige enzymen.

"Ons lichaam is geëvolueerd om deze aminozuurstructuur te herkennen en af ​​te breken, dus we theoretiseerden dat als we de structuur omdraaien naar zijn spiegelbeeld, dat is D-chiraliteit, het lichaam zou het moeilijker hebben om de steiger af te breken, " zei Segura, een professor in biomedische technologie aan Duke. "Maar als we de hydrogel in een muizenwond stoppen, de bijgewerkte gel deed uiteindelijk precies het tegenovergestelde."

Het bijgewerkte materiaal integreerde in de wond en ondersteunde het weefsel terwijl de wond sloot. Maar in plaats van langer te duren, het team ontdekte dat de nieuwe gel bijna volledig van de wond was verdwenen, slechts een paar deeltjes achterlatend.

Echter, de genezen huid bleek sterker en bevatte complexe huidstructuren die typisch afwezig zijn bij littekens. Na verder onderzoek, de onderzoekers ontdekten dat de reden voor de sterkere genezing - ondanks het gebrek aan levensduur - een andere immuunrespons op de gel was.

Na een huidletsel, de aangeboren immuunrespons van het lichaam wordt onmiddellijk geactiveerd om ervoor te zorgen dat alle vreemde stoffen die het lichaam binnenkomen snel worden vernietigd. Als stoffen aan deze eerste afweerreactie kunnen ontsnappen, de adaptieve immuunrespons van het lichaam treedt in werking, die het binnendringende materiaal met meer specificiteit identificeert en richt.

Omdat de originele MAP-gel was gemaakt met de gemeenschappelijke L-peptidestructuur, het genereerde een milde aangeboren immuunrespons. Maar toen het team de geherformuleerde gel in een wond plaatste, de vreemde D-chiraliteit activeerde het adaptieve immuunsysteem, die antilichamen creëerde en cellen activeerde, waaronder macrofagen die de gel sneller richtten en opruimden nadat de wond was gesloten.

"Er zijn twee soorten immuunreacties die kunnen optreden na een verwonding:een destructieve reactie en een mildere regeneratieve reactie, " zei Scumpia, een assistent-professor in de afdeling dermatologie aan UCLA Health en het West Los Angeles VA Medical Center. "Wanneer de meeste biomaterialen in het lichaam worden geplaatst, ze worden ommuurd door het immuunsysteem en uiteindelijk afgebroken of vernietigd. Maar in deze studie de immuunrespons op de gel veroorzaakte een regeneratieve respons in het genezen weefsel."

"Deze studie laat ons zien dat het activeren van het immuunsysteem kan worden gebruikt om de balans van wondgenezing te kantelen, van weefselvernietiging en littekenvorming tot weefselherstel en huidregeneratie, ' zei Segura.

Werken met Maksim Plikus, een regeneratief weefselexpert aan de Universiteit van Californië, Irvine, het team bevestigde ook dat belangrijke structuren, zoals haarzakjes en talgklieren, zich correct over de steiger vormden. Toen het team in het mechanisme dook, ze ontdekten dat de cellen van het adaptieve immuunsysteem nodig zijn voor deze regeneratieve reactie.

Terwijl het team de regeneratieve immuunrespons op hun gel blijft bestuderen, ze onderzoeken ook de mogelijkheid om de nieuwe MAP-hydrogel te gebruiken als een immunomodulerend platform. "Het team onderzoekt nu de beste manier om immuunsignalen van de gel vrij te maken om huidregeneratie te induceren of de hydrogel te ontwikkelen als een vaccinplatform, ' zei Scumpia.

"Ik ben enthousiast over de mogelijkheid om materialen te ontwerpen die direct kunnen interageren met het immuunsysteem om weefselregeneratie te ondersteunen", aldus Segura. "Dit is een nieuwe aanpak voor ons."