Использование экзосом и гидрогелей для улучшения заживления диабетических ран
Диабет, которым страдает примерно 13% взрослых американцев, часто сопровождается осложнениями, такими как нарушение заживления ран, что в тяжелых случаях может привести к ампутации.
Поиск эффективных методов лечения диабетических ран становится все более актуальным. Эти раны характеризуются длительным воспалением, недостатком кислорода и нарушением формирования кровеносных сосудов, что задерживает восстановление. Новое направление в биомедицинских исследованиях указывает на экзосомы как на потенциальное решение.
Команда из NYU Langone и NYU Tandon под руководством Джин Ким Монтклер исследует экзосомы — крошечные мембранные везикулы — как перспективный инструмент для заживления. Эти нановезикулы переносят различные биологические материалы (нуклеиновые кислоты, белки и липиды), что позволяет им опосредовать межклеточную коммуникацию и влиять на процессы, такие как восстановление тканей.
Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Bio Materials.
В частности, экзосомы, полученные из мезенхимальных стволовых клеток (MSCs), в том числе из жировой ткани, продемонстрировали значительный потенциал в ускорении заживления ран на животных моделях. Их терапевтический эффект, по-видимому, обусловлен способностью снижать воспаление и создавать благоприятную для заживления среду, усиливая образование кровеносных сосудов и активность фибробластов и эндотелиальных клеток, важных для восстановления тканей.
Ключевое преимущество экзосом — способность избегать некоторых рисков, связанных с традиционной терапией стволовыми клетками, таких как неконтролируемый рост клеток или иммунное отторжение. Однако, несмотря на перспективность, экзосомы обычно требуют повторного введения (подкожными или внутривенными инъекциями), что затрудняет долгосрочное лечение ран.
Команда Монтклер исследует инновационные способы повышения терапевтического потенциала экзосом, один из которых — их комбинация с гидрогелями. Гидрогели, состоящие из сетей сшитых полимеров, могут инкапсулировать экзосомы в своей структуре. Это позволяет обеспечить более длительное и локализованное высвобождение экзосом непосредственно в месте раны, без необходимости инвазивных инъекций.
Гидрогели уже известны своей биосовместимостью и способностью увлажнять раны, что делает их полезными в качестве перевязочных материалов самих по себе. В комбинации с экзосомами их терапевтическая эффективность значительно возрастает, особенно для диабетических ран.
Недавние исследования показали, что комбинации гидрогель-экзосомы последовательно приводят к более быстрому закрытию ран по сравнению с использованием только гидрогелей или только экзосом. Эти гидрогелевые системы не являются белковыми, однако последние достижения в технологии белковых гидрогелей открыли новые возможности для улучшения заживления.
Монтклер разработала белковый гидрогель, обозначенный как «Q», который образует гель при низких температурах в процессе, называемом гелеобразованием с верхней критической температурой растворимости (UCST). Этот белковый гидрогель самоорганизуется в нановолокна, формируя физически сшитую сеть, обеспечивающую механическую прочность.
Путем тонкой настройки белковой последовательности с использованием передовых вычислительных инструментов, таких как оценка Rosetta и расчеты электростатического потенциала Пуассона-Больцмана, удалось улучшить механические свойства, стабильность и скорость образования геля — ключевые факторы для создания идеальной повязки.
Для дальнейшего развития подхода был создан вариант гидрогеля Q, названный Q5, с использованием автоматизированных методов отбора для оптимизации его стабильности. В Q5 инкапсулировали экзосомы, создав новую систему гидрогель-экзосома под названием Q5Exo. Эта система представляет собой топическую, неинвазивную повязку для ран, которая обещает более эффективное лечение диабетических ран по сравнению с традиционными методами, основанными на инъекциях.
В исследованиях на моделях диабетических мышей Q5Exo, нанесенный местно, продемонстрировал значительное сокращение времени заживления по сравнению с экзосомами, введенными инъекционно. Это говорит о том, что белковые гидрогели с настраиваемыми свойствами могут стать мощной платформой для улучшения результатов заживления ран при диабете.
Такие гидрогели могут открыть путь к новому поколению биосовместимых и эффективных перевязочных материалов, использующих терапевтическую силу экзосом.