Учёные раскрыли молекулярные механизмы влияния наночастиц MXene на регенерацию мышц

Тканевая инженерия с использованием каркасов (скаффолдов) становится ключевым методом лечения объёмной потери мышечной ткани (VML). Для улучшения результатов операции традиционные мышечные трансплантаты уступают место искусственным материалам, среди которых перспективным вариантом являются наночастицы MXene.

MXene — это 2D-материалы на основе карбидов и нитридов переходных металлов. Они обладают высокой электропроводностью, могут нести различные функциональные группы, а их слоистая структура способствует клеточным взаимодействиям и росту мышц. Хотя их способность стимулировать реконструкцию скелетных мышц уже демонстрировалась, конкретный механизм оставался неясным.

Чтобы восполнить этот пробел, группа учёных из Университета Пусан создала нановолокнистые матрицы, содержащие наночастицы MXene, в качестве скаффолдов. Они использовали секвенирование ДНК, чтобы выявить гены и биологические пути, активируемые MXene для помощи в регенерации мышц. Результаты опубликованы в Nano-Micro Letters.

«Это открытие указывает на перспективный путь использования этих материалов для повышения эффективности регенерации мышечной ткани после травмы», — объясняет профессор Ким.

Эксперимент и результаты

  1. Создание матриц: Команда создала нановолокнистую матрицу PCM, содержащую поли(лактид-ко-ε-капролактон) (P), усиленный коллагеном (C), и наночастицы Ti3C2Tx MXene (M). Для контроля были приготовлены три варианта: только P, PC (с коллагеном) и PM (с MXene).
  2. Тестирование на моделях мышей: При тестировании на мышах с индуцированной VML исследователи наблюдали значительное увеличение общего количества мышечных клеток у группы, обработанной PCM, по сравнению с другими.
  3. Молекулярный анализ: Учёные вырастили клетки-предшественники мышц (миобласты C2C12) на матрицах PC и PCM, чтобы проанализировать различия в экспрессии генов.
    • В матрице PCM была выявлена повышенная выработка индуцибельной синтазы оксида азота (iNOS) и сывороточной/глюкокортикоид-регулируемой киназы 1 (SGK1) — белков, связанных с кальциевой сигнализацией и регенерацией мышц.

Предлагаемый механизм действия

  1. MXene способствуют отложению ионов кальция (Ca2+) вокруг клеток.
  2. Повышенный уровень внутриклеточного Ca2+ запускает активацию генов, производящих белки iNOS и SGK1.
  3. SGK1 влияет на путь mTOR-AKT, способствуя пролиферации клеток, их выживанию и миогенезу (превращению миобластов в мышечные волокна).
  4. iNOS увеличивает выработку оксида азота (NO), что способствует пролиферации миобластов и слиянию мышечных волокон.

Совокупный эффект приводит к формированию зрелой мышечной ткани. Упорядоченные нановолокнистые матрицы PCM обеспечивают биологические сигналы для внутриклеточной биохимической передачи, направляя миогенное поведение.

Перспективы и потенциал

«В течение 5–10 лет это исследование может привести к прорывным методам лечения мышечных травм. Матрицы с MXene могут стать рутинной практикой для спортсменов, пациентов с мышечными заболеваниями и людей, восстанавливающихся после травм или операций», — заявляет профессор Ким.

Матрицы с наночастицами MXene обладают потенциалом для кастомизации под различные нужды лечения. Их можно адаптировать по составу, структуре или свойствам под конкретные требования пациента. Наблюдаемое усиление регенерации мышц может способствовать более эффективному восстановлению, потенциально сокращая потребность в реабилитации. Дальнейшие исследования MXene обещают расширение клинического применения на благо человека.