Weefseltechniek, waarbij gebruik wordt gemaakt van transplantaten of steigers om de celregeneratie te bevorderen, ontpopt zich als een belangrijke medische praktijk voor de behandeling van volumetrisch spierverlies (VML), een aandoening waarbij een aanzienlijke hoeveelheid spierweefsel verloren gaat buiten het natuurlijke regeneratieve vermogen van het lichaam. Om de chirurgische resultaten te verbeteren, maken traditionele spiertransplantaten plaats voor kunstmatige steigermaterialen, waarbij MXene-nanodeeltjes (NP's) een veelbelovende optie zijn.

MXene NP's zijn 2D-materialen die voornamelijk bestaan ​​uit overgangsmetaalcarbiden en nitride. Ze zijn zeer elektrisch geleidend, bieden plaats aan een breed scala aan functionele groepen en hebben gestapelde structuren die celinteracties en spiergroei bevorderen. Hoewel er in het laboratorium praktische demonstraties zijn geweest die hun vermogen aantonen om de reconstructie van skeletspieren te bevorderen, blijft het specifieke mechanisme waarmee ze dit doen onduidelijk.

Om deze kloof te dichten heeft universitair hoofddocent Yun Hak Kim van de afdeling Anatomie en de afdeling Biomedische Informatica, samen met de professoren Suck Won Hong en Dong-Wook Han van de afdeling Cogno-Mechatronics Engineering aan de Pusan ​​National University, nanovezelmatrices ontwikkeld die MXene NP's bevatten. als steigers. Ze gebruikten DNA-sequencing om de genen en biologische routes te onthullen die worden geactiveerd door MXene NP's om te helpen bij spierregeneratie.

Deze bevindingen zijn gepubliceerd in Nano-Micro Letters markeren een aanzienlijke vooruitgang in het gebruik van MXene-scaffolds voor de behandeling van spierschade.

"Deze ontdekking biedt een potentiële mogelijkheid voor het gebruik van deze materialen om de effectiviteit van de regeneratie van spierweefsel na een blessure of beschadiging te vergroten", legt professor Kim uit.

In de beginfase creëerde het team een ​​nanovezelige PCM-matrix met poly(lactide-co-ε-caprolacton) (P), versterkt met collageen (C) en Ti₃ C₂ T_x MXene nanodeeltjes (M). Om het specifieke effect van MXene NP's op spiergroei te bepalen, hebben ze drie controles voorbereid:ongerepte PLCL (P), PLCL met collageen (PC) en PLCL met MXene (PM). Bij het testen van alle steigers op muismodellen met geïnduceerd volumetrisch spierverlies constateerden de onderzoekers een significante toename van het totale aantal spiercellen bij met PCM behandelde muizen vergeleken met de andere groepen.

Om te begrijpen hoe MXene-nanodeeltjes (NP's) de spierregeneratie en -groei op moleculair niveau beïnvloeden, introduceerden de onderzoekers C₂ C₁₂ myoblasten, die voorlopers zijn van spiercellen, op PC- en PCM-matrices. Het doel was om de verschillen in genexpressieniveaus tussen de twee matrices te analyseren. Binnen de PCM-matrix werd een verhoogde productie van induceerbaar stikstofoxidesynthase (iNOS) en serum/glucocorticoïde-gereguleerd kinase 1 (SGK1) geïdentificeerd – twee eiwitten die nauw verbonden zijn met calciumsignalering en spierregeneratie.

Deze resultaten suggereren dat MXenen calciumionen (Ca ²⁺ ) bevorderen ) afzetting rond cellen. Deze verhoogde niveaus van intracellulair Ca ²⁺ veroorzaakt de activering van genen die iNOS- en SGK1-eiwitten produceren. SGK1 beïnvloedt de mTOR-AKT-route en bevordert celproliferatie, overleving en myogenese – de omzetting van myoblasten in spiervezels. Tegelijkertijd verhoogt iNOS de productie van stikstofmonoxide (NO), wat bijdraagt ​​aan de proliferatie van myoblasten en de fusie van spiervezels.

De gecombineerde effecten leiden tot de ontwikkeling van volwassen spierweefsel. De uitgelijnde PCM-nanovezelmatrices bieden biofysische signalen voor intracellulaire biochemische signalering en begeleiden myogeen gedrag. Deze ontdekking draagt ​​bij aan ons begrip van het potentieel van MXene om spieren terug te laten groeien en houdt een belofte in voor het verfijnen van steigerontwerpen om dit proces verder te verbeteren.

"Binnen 5 tot 10 jaar kan dit onderzoek baanbrekende behandelingen voor spierblessures opleveren. MXene NP-geïnfuseerde matrices kunnen een routine worden in de medische praktijk voor atleten, mensen met spiergerelateerde aandoeningen en mensen die herstellen van spiergerelateerde trauma's of operaties, zegt prof. Kim. "Deze NP's kunnen de methoden voor spierregeneratie verbeteren en betere resultaten bieden voor reconstructieve operaties en aandoeningen zoals spierdystrofie, waarbij de spierfunctie wordt aangetast."

De met MXene NP geïnfundeerde matrices bieden mogelijkheden voor maatwerk om te voldoen aan diverse behoeften bij de behandeling van spierverliesblessures. Deze aanpassing kan het aanpassen van de samenstelling, structuur of eigenschappen inhouden om te voldoen aan specifieke patiëntvereisten, zoals verbetering van de grootte, vorm of bioactiviteit. Het op maat maken van deze materialen zou gepersonaliseerde oplossingen kunnen bieden voor verschillende ernst van spierverlies. Bovendien zou de waargenomen verbeterde spierregeneratie kunnen bijdragen aan een efficiënter herstel, waardoor de revalidatiebehoeften na de behandeling mogelijk worden verminderd.

Deze matrices, met regelbare mechanische eigenschappen, zijn veelbelovend voor het verbeteren van de in vivo spierregeneratie. Verder onderzoek naar MXene belooft uitgebreide klinische toepassingen, die mogelijk het menselijk welzijn ten goede komen.

Meer informatie: Moon Sung Kang et al., Sterk uitgelijnde ternaire nanovezelmatrices geladen met MXene versnellen de regeneratie van volumetrisch spierverlies, Nano-Micro Letters (2024). DOI:10.1007/s40820-023-01293-1

Aangeboden door Pusan ​​National University