Une nouvelle plateforme peut aider à traiter les maladies neurodégénératives grâce à la médecine régénérative

Imaginez si les chirurgiens pouvaient transplanter des neurones sains chez des patients atteints de maladies neurodégénératives ou de lésions cérébrales et médullaires. Et imaginez s’ils pouvaient «faire pousser» ces neurones en laboratoire à partir des propres cellules d’un patient en utilisant un matériau synthétique hautement bioactif adapté à l’impression 3D.

En découvrant un nouveau biomatériau imprimable qui peut imiter les propriétés du tissu cérébral, les chercheurs de l’Université Northwestern sont maintenant plus près de développer une plate-forme capable de traiter ces conditions à l’aide de la médecine régénérative.

Un ingrédient clé de la découverte est la capacité de contrôler les processus d’auto-assemblage des molécules dans le matériau, permettant aux chercheurs de modifier la structure et les fonctions des systèmes de l’échelle nanométrique à l’échelle des caractéristiques visibles.

Le laboratoire de Samuel I.Stupp a publié un article de 2018 dans la revue Science qui a montré que les matériaux peuvent être conçus avec des molécules hautement dynamiques programmées pour migrer sur de longues distances et s’auto-organiser pour former des faisceaux de nanofibres plus grands et «superstructurés».

Aujourd’hui, un groupe de recherche dirigé par Stupp a démontré que ces superstructures peuvent améliorer la croissance des neurones, une découverte importante qui pourrait avoir des implications pour les stratégies de transplantation cellulaire pour les maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer, ainsi que les lésions de la moelle épinière.

C’est le premier exemple où nous avons pu prendre le phénomène de remaniement moléculaire rapporté en 2018 et l’exploiter pour une application en médecine régénérative. Nous pouvons également utiliser des constructions du nouveau biomatériau pour aider à découvrir des thérapies et à comprendre les pathologies.« 

Samuel I. Stupp, auteur principal de l’étude et directeur, Northwestern’s Simpson Querrey Institute

Pionnier de l’auto-assemblage supramoléculaire, Stupp est également professeur au conseil d’administration en science et génie des matériaux, chimie, médecine et génie biomédical et occupe des postes au Weinberg College of Arts and Sciences, à la McCormick School of Engineering et à la Feinberg School of Médicament.

L’article a été publié aujourd’hui (22 février) dans la revue Science avancée.

Molécules qui marchent et impression 3D

Le nouveau matériau est créé en mélangeant deux liquides qui deviennent rapidement rigides à la suite d’interactions connues en chimie sous le nom de complexes hôte-invité qui imitent les interactions de verrouillage entre les protéines, et également en raison de la concentration de ces interactions à l’échelle du micron. régions à travers une migration à grande échelle de «molécules qui marchent».

Les molécules agiles parcourent une distance des milliers de fois plus grande qu’eux pour se regrouper en grandes superstructures. À l’échelle microscopique, cette migration provoque une transformation de la structure de ce qui ressemble à un morceau non cuit de nouilles ramen en paquets ressemblant à des cordes.

«Les biomatériaux typiques utilisés en médecine comme les hydrogels polymères n’ont pas la capacité de permettre aux molécules de s’auto-assembler et de se déplacer au sein de ces assemblages», a déclaré Tristan Clemons, chercheur associé au laboratoire Stupp et co-premier auteur de l’article avec Alexandra Edelbrock, ancienne étudiante diplômée du groupe. « Ce phénomène est propre aux systèmes que nous avons développés ici. »

En outre, lorsque les molécules dynamiques se déplacent pour former des superstructures, de grands pores s’ouvrent qui permettent aux cellules de pénétrer et d’interagir avec des signaux bioactifs qui peuvent être intégrés dans les biomatériaux.

Fait intéressant, les forces mécaniques de l’impression 3D perturbent les interactions hôte-invité dans les superstructures et provoquent l’écoulement du matériau, mais elles peuvent rapidement se solidifier dans n’importe quelle forme macroscopique car les interactions sont restaurées spontanément par auto-assemblage. Cela permet également l’impression 3D de structures avec des couches distinctes abritant différents types de cellules neurales afin d’étudier leurs interactions.

Signalisation de la croissance neuronale

La superstructure et les propriétés bioactives du matériau pourraient avoir de vastes implications pour la régénération tissulaire. Les neurones sont stimulés par une protéine du système nerveux central connue sous le nom de facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF), qui aide les neurones à survivre en favorisant les connexions synaptiques et en permettant aux neurones d’être plus plastiques. Le BDNF pourrait être une thérapie valable pour les patients souffrant de maladies neurodégénératives et de lésions de la moelle épinière, mais ces protéines se dégradent rapidement dans le corps et sont coûteuses à produire.

L’une des molécules du nouveau matériau intègre une imitation de cette protéine qui active son récepteur connu sous le nom de Trkb, et l’équipe a découvert que les neurones pénètrent activement dans les grands pores et peuplent le nouveau biomatériau lorsque le signal mimétique est présent. Cela pourrait également créer un environnement dans lequel les neurones différenciés des cellules souches provenant de patients mûrissent avant la transplantation.

Maintenant que l’équipe a appliqué une preuve de concept aux neurones, Stupp pense qu’il pourrait désormais pénétrer d’autres domaines de la médecine régénérative en appliquant différentes séquences chimiques au matériau. De simples changements chimiques dans les biomatériaux leur permettraient de fournir des signaux pour une large gamme de tissus.

« Le cartilage et le tissu cardiaque sont très difficiles à régénérer après une blessure ou une crise cardiaque, et la plate-forme pourrait être utilisée pour préparer ces tissus in vitro à partir de cellules dérivées de patients », a déclaré Stupp. « Ces tissus pourraient ensuite être transplantés pour aider à restaurer les fonctions perdues. Au-delà de ces interventions, les matériaux pourraient être utilisés pour construire des organoïdes pour découvrir des thérapies ou même directement implantés dans les tissus pour la régénération car ils sont biodégradables. »

Le travail a été soutenu par le Center for Regenerative Nanomedicine au Simpson Querrey Institute du Northwestern, des bourses de recherche supérieures par le biais de la National Science Foundation et une bourse de l’American Australian Association.

Le document est intitulé «Biomatériaux superstructurés formés par la dynamique d’échange et les interactions hôte-invité dans les polymères supramoléculaires».