Progettazione dei Biomateriali Cella-Rispondenti Con Assistenza Tecnica della Proteina

Corrente, tipi primari di uso due dei chirurghi di materiali dentro l'organismo per sostituire le parti del corpo nocive: qualsiasi materiali industriali comuni o materiali naturali raccolti. I materiali industriali Comuni includono le leghe del titanio e dell'acciaio inossidabile in giunture artificiali ed i polimeri sintetici nelle esclusioni vascolari. Mentre questi materiali eseguono spesso bene a sostituire le funzioni meccaniche nell'organismo, mancano di gran parte dell'organizzazione del nano-disgaggio e micro- necessaria per la funzione biochimica adeguata all'interno dell'organismo.

Per sostituire queste funzioni biochimiche, i materiali naturali raccolti quali le valvole cardiache ed altri trapianti di organi sono generalmente il sistema monetario aureo. Tuttavia, questi materiali naturali presentano una serie di limitazioni: sono costosi e del tempo intensivi raccogliere e depurare, rischiano la trasmissione delle malattie, mancano della riproducibilità rigorosa di controllo di qualità trovata nella sintesi dei materiali industriali e sono quasi impossibli da personalizzare per le applicazioni specifiche.

Nella risposta, il Professor Sara Heilshorn ed il suo gruppo al Gruppo dei Biomateriali di Heilshorn sta esplorando la possibilità di progettazione e della sintetizzazione dei materiali fatti delle proteine costruite.¹ Le Proteine sono una delle componenti materiali principali dei nostri organismi e si sono evolute col passare del tempo per formare i materiali con una schiera dell'abbagliamento dei beni biomeccanici e biochimici. Una proteina è trasformata di parecchi amminoacidi messi insieme insieme una catena lunga.

Variando la sequenza degli amminoacidi nella catena, le proteine con differenti beni materiali sono create. Per le proteine naturalmente mutevoli, le istruzioni che contengono la sequenza degli amminoacidi per ogni catena della proteina sono codificate in nostro materiale genetico, DNA, hanno trovato nel nucleo delle celle. Per imitare questo trattamento, gli scienziati dei materiali possono codificare le nuove sequenze aminoacidiche nei bit di DNA costruito che chimicamente sono sintetizzati. Questo messaggio genetico è inserito in un organismo ospite, quali i batteri non infettivi. Il macchinario sintetico naturale nell'organismo ospite poi traduce il messaggio costruito del DNA e sintetizza una catena della proteina con la sequenza aminoacidica esatta specificata. Il prodotto costruito della proteina può poi essere depurato ed elaborato in un materiale.

Il Professor Sara Heilshorn ed il suo gruppo sta usando questa tecnica, assistenza tecnica recombinante della proteina, per progettare i nuovi materiali della proteina per le applicazioni mediche. Questi materiali della proteina combinano molti dei vantaggi dei materiali industriali comuni, quali la riproducibilità e la personalizzazione facile, con i vantaggi dei materiali naturali raccolti, quali la compatibilità delle cellule e la biodegradabilità. Questi nuovi materiali funzionano imitando le proteine naturali trovate dentro i nostri organismi.

Appena come le proteine naturali, queste proteine costruite contengono “le istruzioni„ biomeccaniche e biochimiche che possono guidare le celle per comportarsi in determinati modi. Facendo Uso di questi nuovi materiali, stiamo lavorando per determinare l'insieme corretto delle istruzioni che indurranno le celle per aderire, migrare, proliferare e differenziarsi in un tipo specifico del tessuto, Figura 1.

Figura 1. immagine del microscopio migliorata Digital delle cellule staminali neurali (indicato in verde ed in blu) sviluppate all'interno di un biomateriale proteina-costruito. Varie delle celle hanno cominciato differenziarsi nei neuroni (indicati nel verde) ed estendere i germogli neuritic lunghi. Micrografo Originale acquistato da Cheryl Wong Po Foo; illustrazione digitale eseguita da Chelsea Castillo.

Il Mio laboratorio corrente è messo a fuoco sui materiali per trattare le malattie e le ferite al sistema nervoso centrale, sebbene questa strategia di progettazione materiale possa applicarsi a qualunque tipo del tessuto.² Poiché le celle rispondono simultaneamente sia ai segnali biomeccanici che biochimici, è critico progettare i materiali che permettono alla modulazione indipendente di ciascuno variabile.

Come un esempio, abbiamo progettato i materiali della proteina che combinano i beni meccanici del tipo di elastica (sono elastici e resilienti) con i beni biochimici del cella-collante.³ Questi materiali possono più ulteriormente essere destinati per rispondere ai cambiamenti nell'ambiente delle cellule locali reagendo con gli enzimi cella-secernuti.⁴ Queste reazioni dell'materiale-enzima possono essere usate per avviare l'emergenza dei reticoli tridimensionali all'interno del materiale o per avviare la consegna delle droghe multiple con i profili temporali e spaziali distinti della versione. Imitando i materiali trovati naturalmente nei nostri organismi, questi materiali proteina-costruiti permetteranno allo sviluppo di nuove terapie mediche.

Ringraziamenti

Il lavoro descritto in questo articolo è stato supportato dal Premio dello Studioso della Facoltà di Hellman, dal Fondo dello Studioso della Famiglia di deLarios, dall'Iniziativa Nazionale di Futures di Keck delle Accademie, dal National Science Foundation (EFRI-CBE-0735551 e DMR-0846363) e dagli Istituti della Sanità Nazionali (1DP2-OD-006477-01 e R01-DK-085720-01).

Riferimenti

1. Wong Po Foo C, Biomateriali Costruiti Proteina dello SC di Heilshorn, Capitolo 8, Assistenza Tecnica e Progettazione della Proteina, editori Cochran J e Sosta SJ, Stampa di CRC, Boca Raton, FL, 2009.
2. Wong Po Foo C, Lee JS, Mulyasasmita W, Parisi-Amon A, idrogel fisici proteina-costruiti A due componenti dello SC di Heilshorn per incapsulamento delle cellule. Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze U.S.A. 2009, 106 (52): 22067-22072.
3. Straley K, sintonizzazione Indipendente dello SC di Heilshorn da beni multipli del biomateriale facendo uso di assistenza tecnica della proteina. Materia Molle 2009; 5:114-124.
4. Straley K, SC Dinamico, formazione di Heilshorn di reticolo tridimensionale all'interno degli idrogel enzima-rispondenti. Materiali Avanzati 2009, 21:4148-4152.