Spieren vormen het grootste orgaan bij de mens, goed voor 40% van het lichaamsgewicht, en het speelt een essentiële rol bij het in stand houden van het leven. Spierweefsel staat bekend om zijn unieke vermogen tot spontane regeneratie. Echter, bij ernstige verwondingen zoals die opgelopen bij auto-ongelukken of tumorresectie die resulteert in een volumetrisch spierverlies (VML), het herstelvermogen van de spier is sterk verminderd. Momenteel, VML-behandelingen omvatten chirurgische ingrepen met autologe spierflappen of -transplantaten vergezeld van fysiotherapie. Echter, chirurgische ingrepen leiden vaak tot verminderde spierfunctie, en in sommige gevallen resulteren in een volledig falen van het transplantaat. Dus, er is vraag naar aanvullende therapeutische opties om het herstel van spierverlies te verbeteren.

Een veelbelovende strategie om de functionele capaciteit van de beschadigde spier te verbeteren is om de novo regeneratie van skeletspieren te induceren via de integratie van getransplanteerde cellen. Diverse soorten cellen, inclusief satellietcellen (spierstamcellen), myoblasten, en mesenchymale stamcellen, zijn gebruikt om spierverlies te behandelen. Echter, invasieve spierbiopten, slechte celbeschikbaarheid, en beperkt onderhoud op lange termijn belemmeren klinische vertaling, waar miljoenen tot miljarden rijpe cellen nodig kunnen zijn om therapeutische voordelen te bieden.

Een ander belangrijk punt is het beheersen van de driedimensionale micro-omgeving op de plaats van de verwonding om ervoor te zorgen dat de getransplanteerde cellen goed differentiëren tot spierweefsel met gewenste structuren. Er is een verscheidenheid aan natuurlijke en synthetische biomaterialen gebruikt om de overleving en rijping van getransplanteerde cellen te verbeteren, terwijl gastheercellen worden gerekruteerd voor spierregeneratie. Echter, er zijn onopgeloste, langdurige dilemma's bij de ontwikkeling van weefselsteigers. Natuurlijke steigers vertonen een hoge celherkenning en celbindingsaffiniteit, maar bieden vaak geen mechanische robuustheid in grote laesies of dragende weefsels die langdurige mechanische ondersteuning vereisen. In tegenstelling tot, synthetische steigers bieden een nauwkeurig ontworpen alternatief met afstembare mechanische en fysieke eigenschappen, evenals op maat gemaakte structuren en biochemische samenstellingen, maar worden vaak gehinderd door een gebrek aan celrekrutering en slechte integratie met gastheerweefsel.

Om deze uitdagingen te overwinnen, een onderzoeksteam van het Center for Nanomedicine binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea, Yonsei-universiteit, en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bedacht een nieuw protocol voor kunstmatige spierregeneratie. Het team bereikte een effectieve behandeling van VML in een muismodel door gebruik te maken van directe celherprogrammeringstechnologie in combinatie met een natuurlijk-synthetische hybride scaffold.

Directe herprogrammering van cellen, ook wel directe conversie genoemd, is een efficiënte strategie die zorgt voor effectieve celtherapie omdat het de snelle generatie van patiëntspecifieke doelcellen mogelijk maakt met behulp van autologe cellen uit de weefselbiopsie. Fibroblasten zijn de cellen die vaak worden aangetroffen in het bindweefsel, en ze zijn uitgebreid betrokken bij wondgenezing. Omdat de fibroblasten geen terminaal gedifferentieerde cellen zijn, het is mogelijk om ze om te zetten in geïnduceerde myogene voorlopercellen (iMPC's) met behulp van verschillende transcriptiefactoren. Hierin, deze strategie werd toegepast om iMPC te leveren voor de engineering van spierweefsel.

Om de prolifererende spiercellen structureel te ondersteunen, polycaprolacton (PCL), werd gekozen als materiaal voor de fabricage van een poreuze steiger vanwege de hoge biocompatibiliteit. Hoewel zoutuitloging een veelgebruikte methode is om poreuze materialen te maken, het is meestal beperkt tot het produceren van gesloten poreuze structuren. Om deze beperking te overwinnen, de onderzoekers breidden de conventionele zoutuitloogmethode uit met thermisch trekken om op maat gemaakte PCL-vezelsteigers te produceren. Deze techniek vergemakkelijkte de fabricage met hoge doorvoer van poreuze vezels met gecontroleerde stijfheid, porositeit, en afmetingen die een nauwkeurige afstemming van de steigers op de letsellocaties mogelijk maken.

Echter, de synthetische PCL-vezelsteigers alleen bieden geen optimale biochemische en lokale mechanische aanwijzingen die spierspecifieke micro-omgeving nabootsen. Vandaar dat de constructie van een hybride scaffold werd voltooid door de opname van gedecellulariseerde spier-extracellulaire matrix (MEM) hydrogel in de PCL-structuur. Momenteel, MEM is een van de meest gebruikte natuurlijke biomaterialen voor de behandeling van VML in de klinische praktijk. Dus, de onderzoekers zijn van mening dat hybride steigers die zijn ontworpen met MEM een enorm potentieel hebben in klinische toepassingen.

De resulterende bioengineered spiervezelconstructies vertoonden mechanische stijfheid vergelijkbaar met die van spierweefsels en vertoonden verbeterde spierdifferentiatie en langwerpige spieruitlijning in vitro. Verder, implantation of bioengineered muscle constructs in the VML mouse model not only promoted muscle regeneration with increased innervation and angiogenesis but also facilitated the functional recovery of damaged muscles. The research team notes:"The hybrid muscle construct might have guided the responses of exogenously added reprogrammed muscle cells and infiltrating host cell populations to enhance functional muscle regeneration by orchestrating differentiation, paracrine effect, and constructive tissue remodeling."

Prof. Cho Seung-Woo from the IBS Center for Nanomedicine and Yonsei University College of Life Science and Biotechnology who led this study notes, "Further studies are required to elucidate the mechanisms of muscle regeneration by our hybrid constructs and to empower the clinical translation of cell-instructive delivery platforms."