De afgelopen decennia hebben materiaalwetenschappers en scheikundigen gewerkt aan het ontwerpen van steeds geavanceerdere materialen voor een breed scala aan technologische en wetenschappelijke toepassingen. Deze materialen omvatten synthetische polymeren en hydrogels die in het menselijk lichaam kunnen worden geïntroduceerd als onderdeel van medische interventies.

Onderzoekers van het Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Technische Universität Dresden en andere instituten in Duitsland hebben onlangs nieuwe volledig synthetische materialen ontworpen met een dynamische DNA-verknoopte matrix die nuttig zou kunnen zijn voor de creatie van organoïden (kunstmatige organen) en andere bio-mimetische systemen . Deze materialen zijn geïntroduceerd in Nature Nanotechnology , zijn veelzijdig, programmeerbaar en relatief goedkoop, waardoor ze voordelig zijn voor medisch en biologisch onderzoek.

"Polymeerchemie kan materialen met prachtige eigenschappen creëren", vertelde Elisha Krieg, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Denk aan alledaagse producten als speelgoed en verpakkingen, maar ook aan kogelvrije vesten, parachutes, medische implantaten, etc. Maar deze materialen zijn erg statisch:het is niet eenvoudig om hun eigenschappen te veranderen; eenmaal gebroken kunnen ze zichzelf niet meer genezen, en hun kenmerken zijn moeilijk te voorspellen. Onze groep probeert materialen te maken die meer op levende materie lijken:adaptief, zelfherstellend en geprogrammeerd om specifieke functies te vervullen."

Het gebied van DNA-nanotechnologie, voor het eerst opgericht door Ned Seeman, richt zich op het ontwerp en de productie van kunstmatige DNA-structuren met mogelijke biomedische en biofysische toepassingen. Eerdere studies op het gebied van DNA-nanotechnologie hebben aangetoond dat DNA opnieuw kan worden geprogrammeerd om de eigenschappen van materie op nanometerschaal te controleren.

Het recente werk van Krieg en zijn collega Yu-Hsuan Peng bouwt voort op eerdere onderzoeksinspanningen op dit gebied. Het doel was om een ​​zachte hydrogelmatrix te creëren die levende cellen zou kunnen huisvesten en zo zou kunnen worden gebruikt om weefsel, organoïden, medische implantaten en andere biofysische systemen te manipuleren.

"We hoopten dat we, door de principes van DNA-nanotechnologie te gebruiken, de eigenschappen van ons zachte materiaal nauwkeurig konden controleren om cellen optimaal te ondersteunen en hun ontwikkeling te sturen", legt Krieg uit. "Ons doel was om een ​​materiaal te creëren dat volledig synthetisch en biocompatibel is, en – het allerbelangrijkste – het mechanische gedrag moet instelbaar zijn zonder de chemische samenstelling drastisch te veranderen. Last but not least was het voor ons belangrijk dat het materiaal goedkoop was, zoals we hoopten dat het in de toekomst door veel andere groepen zou worden toegepast."

Om een ​​materiaal te creëren dat veelzijdig, synthetisch, biocompatibel, programmeerbaar en betaalbaar is, hebben de onderzoekers twee verschillende componenten samengevoegd. De eerste zijn zware biologisch functionele polymeerketens.

"Deze polymeerketens dienen als structureel schavot voor het materiaal", zei Krieg. "Ze hebben DNA-zijketens waardoor verdere op DNA gebaseerde modules in het materiaal kunnen worden geïntegreerd, het polymeer kan worden verknoopt en kan worden aangevuld met specifieke functies."

De tweede component van het teammateriaal bestaat uit unieke DNA-modules. Deze modules worden op het materiaal aangesloten om de eigenschappen en kenmerken ervan te programmeren, waardoor het op specifieke manieren kan presteren.

"Een belangrijke innovatie was ons gebruik van op DNA gebaseerde 'bibliotheken' - complexe mengsels van DNA-strengen - die verknoping zeer efficiënt maken," zei Krieg. "De sequenties van de DNA-bibliotheken controleren ook belangrijke kenmerken van het materiaal, zoals de plasticiteit en stijfheid bij verschillende temperaturen."

De dynamische DNA-verknoopte matrix gemaakt door Krieg en zijn collega's, genaamd DyNAtrix, zou kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan cellen in een laboratoriumomgeving te kweken, waaronder menselijke pluripotente stamcellen en organoïden. Opmerkelijk is dat hun materiaal ook zelfherstellend is en gemakkelijk kan worden geïntegreerd met 3D-printtechnologie om een ​​verscheidenheid aan complexe 3D-weefsels en -structuren te produceren.

"Het kweken van cellen in DyNAtrix kan helpen bij het beantwoorden van vragen in de ontwikkelingsbiologie, het zou kunnen worden gebruikt om weefsels te kweken voor regeneratieve geneeskunde, of om het effect van specifieke kandidaat-geneesmiddelen te testen met van patiënten afkomstige cellen. Mijn hoop is dat het testen van medicijnen in een in vitro Het celkweeksysteem zal op een dag dierproeven volledig vervangen."

Het nieuwe materiaal dat door dit team van onderzoekers wordt geïntroduceerd, heeft het potentieel om binnenkort biomechanisch, biofysisch en biomedisch onderzoek vooruit te helpen. DyNAtrix is ​​volledig synthetisch, programmeerbaar, eenvoudig op grote schaal te reproduceren en met hoge precisie af te stellen. Het zou ook gemakkelijker te gebruiken kunnen zijn in klinische omgevingen vergeleken met materialen afkomstig van dieren, zoals Matrigel (d.w.z. een matrix geëxtraheerd uit muizentumorcellen die vaak wordt gebruikt om cellen in het laboratorium te kweken).

In hun volgende studies zijn Krieg, Peng en hun collega's van plan de praktische toepassingen van hun matrix verder te onderzoeken. Ze gaan bijvoorbeeld samenwerken met celbiologen en hen helpen DyNAtrix te gebruiken om specifieke onderzoeksproblemen aan te pakken.

“De instelbare mechanische eigenschappen van DyNAtrix maken het bijzonder interessant voor het beantwoorden van vragen op het gebied van de mechanobiologie, zoals:hoe beïnvloeden mechanische eigenschappen (stijfheid, viscositeit, plasticiteit) de ontwikkeling van cellen? Welke relevantie hebben deze effecten in een levend organisme Welke relevantie hebben ze bij ziekten als kanker? En hoe stimuleert de mechanische omgeving precies een reactie in levende weefsels?" Krieg voegde toe.

"Het werk in ons laboratorium is momenteel gericht op het uitbreiden van de mogelijkheden van DyNAtrix. Door bijvoorbeeld fluorescerende krachtsensoren aan te sluiten hopen we dat mechanische interacties tussen cellen en hun omgeving in de microscoop kunnen worden gekwantificeerd."

De DyNAtrix-matrix bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling, omdat onderzoekers nog steeds handmatig DNA-modules moeten toevoegen om veranderingen in de eigenschappen van een materiaal teweeg te brengen. In de toekomst hoopt het team de samenstelling en prestaties verder te verbeteren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van meer geavanceerde, op DNA gebaseerde reactienetwerken waarmee het autonoom kan reageren op het gedrag van cellen.

Meer informatie: Y.-H. Peng et al, Dynamische matrices met DNA-gecodeerde visco-elasticiteit voor cel- en organoïdecultuur, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

© 2023 Science X Netwerk