Des chercheurs de Columbia Engineering ont établi un cadre pour la conception d'hydrogels injectables bioactifs formulés avec des vésicules extracellulaires (véhicules électriques) pour les applications d'ingénierie tissulaire et de médecine régénérative.
Publié aujourd'hui dans MatièreSantiago Correa, professeur adjoint de génie biomédical chez Columbia Engineering, et ses collaborateurs décrivent une plate-forme d'hydrogel injectable qui utilise des véhicules électriques du lait pour aborder des barrières de longue date dans le développement de biomatériaux pour la médecine régénérative. Les EV sont des particules naturellement sécrétées par les cellules et transportent des centaines de signaux biologiques, comme les protéines et les matériaux génétiques, permettant une communication cellulaire sophistiquée que les matériaux synthétiques ne peuvent pas facilement reproduire.
Dans cette étude, Correa et ses collègues ont conçu un système d'hydrogel où les véhicules électriques jouent un double rôle: ils agissent comme un fret bioactif mais servent également de blocs de construction structurels essentiels, en réticulation des polymères biocompatibles pour former un matériau injectable. En utilisant une approche non conventionnelle qui a exploité le lait EV du yaourt, l'équipe a pu surmonter les contraintes de rendement qui entravent le développement de biomatériaux à base de véhicules électriques. Les véhicules électriques de yaourt ont permis à l'hydrogel d'imiter la mécanique des tissus vivants et d'engager activement les cellules environnantes, de favoriser la guérison et la régénération des tissus sans avoir besoin d'additifs chimiques supplémentaires.
« Ce projet a commencé comme une question de base sur la façon de construire des hydrogels basés sur EV. Les véhicules électriques de yogourt nous ont donné un outil pratique pour cela, mais ils se sont avérés être plus qu'un modèle », a déclaré Correa qui a dirigé l'étude avec Artemis Margaronis, un chercheur diplômé de la NSF dans le Correa Lab. « Nous avons constaté qu'ils avaient un potentiel de régénération inhérent, qui ouvre la porte à de nouveaux matériaux thérapeutiques accessibles. »
Correa dirige le laboratoire d'immuno-ingénierie nanométrique de l'Université Columbia, où ses recherches se concentrent sur la livraison de médicaments et l'immuno-ingénierie. Il est également membre du Herbert Irving Comprehensive Cancer Center et a collaboré à ce projet avec Kam Leong, un autre membre du corps professoral de l'ingénierie de Columbia. L'étude a été renforcée par la collaboration internationale avec des chercheurs de l'Université de Padova, notamment Elisa Cimetta (Département de génie industriel) et la étudiante diplômée Caterina Piunti. En combinant l'expertise de l'équipe de Padova dans l'agriculture des véhicules de véhicules électriques avec l'expérience du Correa Lab dans les nanomatériaux et les hydrogels basés sur des polymères, l'équipe a démontré la puissance des partenariats mondiaux interdisciplinaires dans la progression de l'innovation des biomatériaux.
En utilisant des véhicules électriques dérivés du yaourt, l'équipe a défini un espace de conception pour générer des hydrogels qui incorporent des véhicules électriques comme éléments structurels et biologiques. Ils ont en outre validé l'approche en utilisant des véhicules électriques dérivés des cellules de mammifères et des bactéries, démontrant que la plate-forme est modulaire et compatible avec diverses sources de vésicules. Cela pourrait ouvrir la porte aux applications avancées en matière de cicatrisation des plaies et de médecine régénérative, où les traitements actuels ne sont pas en deçà de la promotion de la réparation des tissus à long terme. En intégrant les véhicules électriques directement dans la structure de l'hydrogel, le matériau permet la livraison soutenue de leurs signaux bioactifs. Parce que l'hydrogel est injectable, il peut également être délivré localement aux tissus endommagés.
Les premières expériences montrent que les hydrogels du yogourt EV sont biocompatibles et stimulent une activité angiogénique puissante en une semaine chez des souris immunocompétents, démontrant que les VE agricoles permettent non seulement la recherche de biomatériaux fondamentaux mais détiennent également un potentiel thérapeutique en tant que biotechnologie de nouvelle génération. Chez la souris, le matériau n'a montré aucun signe de réaction indésirable et a plutôt favorisé la formation de nouveaux vaisseaux sanguins, une étape clé dans une régénération des tissus efficace. L'équipe de Correa a également observé que l'hydrogel crée un environnement immunitaire unique enrichi en types de cellules anti-inflammatoires, ce qui peut contribuer aux processus de réparation des tissus observés. L'équipe explore maintenant comment cette réponse immunitaire pourrait aider à guider la régénération des tissus.
Être capable de concevoir un matériau qui imite étroitement l'environnement naturel du corps tout en accélérant le processus de guérison ouvre un nouveau monde de possibilités de médecine régénérative. Des moments comme ceux-ci me rappellent pourquoi le domaine de recherche en génie biomédical est toujours à l'aube de quelque chose d'excitant. «
Artemis Margaronis, un chercheur diplômé de la NSF
