Ferite esterne come tagli della pelle o abrasioni possono spesso essere facilmente coperte con un semplice cerotto o un cerotto più grande per proteggerle e facilitarne la guarigione. Quando si tratta di alcune superfici interne come quelle dell'intestino che sono ricoperte da uno strato di muco, però, tali materiali convenzionali per la guarigione delle ferite sono inefficaci perché il muco ostacola il loro saldo attaccamento e li porta rapidamente via dal sito della ferita.

Ora, i ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato una soluzione a questo problema sotto forma di idrogel probiotici realizzati con nanofibre mucoadesive e prodotti da un batterio intestinale naturale ingegnerizzato. Gli idrogel possono essere facilmente prodotti da colture batteriche e applicati come "gel vivi" auto-rigeneranti a vita più lunga o "gel privi di cellule" a vita più breve sulle superfici intestinali tramite siringhe, spray, e tecniche endoscopiche per fornire un sigillo. Lo studio è pubblicato su Materiale avanzato .

"Questo nuovo tipo di materiale vivente ingegnerizzato con la sua facilità di produzione e conservazione, biocompatibilità, e le proprietà mucoadesive potrebbero essere un apripista per strategie di guarigione delle ferite bioattive da utilizzare all'interno del lume intestinale umano, " ha detto Neel Joshi, che è un membro principale della facoltà presso il Wyss Institute e professore associato presso SEAS. "Possiamo essenzialmente programmare il normale macchinario molecolare che produce nanofibre di non patogeni E. coli produrre idrogel che hanno una viscosità molto simile a quella del muco, e con capacità mucoadesive incorporate; e la loro modularità potrebbe consentirci di sintonizzarli in modo che corrispondano a sezioni specifiche del tratto gastrointestinale con le loro composizioni e strutture di muco individuali".

Joshi e altri laboratori hanno precedentemente sfruttato ceppi commensali di E. coli per secernere nanofibre che formano biofilm, e come fonderie viventi per la fabbricazione di prodotti farmaceutici, chimica fine, o sostanze che possono aiutare con il risanamento ambientale ingegnerizzando la proteina CsgA che i batteri secernono, che si autoassembla in nanofibre curli nell'ambiente extracellulare. In queste applicazioni passate, CsgA è stato modificato per consentire ulteriori funzioni enzimatiche o strutturali, come l'esecuzione di una reazione chimica necessaria per la sintesi di un farmaco o di una sostanza chimica. Però, I materiali a base di nanofibre curli finora non sono stati sviluppati per l'uso diretto come terapia.

"I biofilm prodotti naturalmente sono noti per ostacolare i processi di guarigione delle ferite fino a un punto in cui devono essere gestiti attivamente dagli operatori sanitari. Abbiamo essenzialmente hackerato uno dei macchinari principali che li produce con l'obiettivo a lungo termine di fare esattamente il contrario , produrre materiali che possano supportare la guarigione delle ferite in un ambiente inaccessibile ad altri materiali, " ha detto la prima autrice Anna Duraj-Thatte, che è un borsista post-dottorato della Graduate School of Arts and Sciences nel team di Joshi.

Per consentire la formazione di idrogel extracellulari, i ricercatori hanno programmato un ceppo non patogeno del batterio intestinale E. coli sintetizzare una variante della proteina CsgA curli che è fusa al dominio legante il muco dai fattori del trifoglio umano (TFF). I TFF sono co-secreti dalle cellule produttrici di muco per proteggere gli epiteli della mucosa da una serie di insulti, e aiutarli a riparare le ferite. Una semplice fase di filtrazione consente la separazione netta dell'idrogel contenente batteri vivi dal resto della coltura, mentre i gel cell-free richiedono un passaggio aggiuntivo in cui i batteri vengono uccisi con un semplice trattamento chimico. "Riteniamo che la presenza dei domini TFF consenta a diverse fibre curli di reticolarsi tra loro e formare una rete di immagazzinamento dell'acqua, e dimostrato che le esatte proprietà dell'idrogel dipendono dal tipo di TFF utilizzato, " disse Duraj Thatte.

Collaborando con Jeffrey Karp e l'istruttore di medicina Yuhan Lee al Brigham and Women's Hospital, il team ha testato la specificità dell'adesione tissutale in base al tipo di domini aggiunti nell'idrogel. Quando i TFF sono stati presentati sugli idrogel, hanno migliorato l'adesione solo alla superficie della mucosa esposta al lume di un campione di tessuto del colon di capra. In alternativa, when a domain binding to fibronectin protein—which is not found on the mucosa, but on the outward-facing serosal surface of the colon—the hydrogels instead preferentially stuck to the serosal side of the colon tissue sample.

"Since hydrogels with different TFF domains can be easily sprayed onto tissue surfaces with controllable adhesion and functional activity, we envision their potential use in endoscopic procedures to treat intestinal disorders, like a spray-on bandage, " said Karp, who is a professor of medicine at Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School.

When given orally to mice, the cell-containing live gels could withstand the harsh pH and digestive conditions of the stomach and small intestine to reach the cecum with the bacteria intact. The team also found that hydrogels bearing one particular TFF domain (TFF2) enhanced retention of the material in the colon. "The presence of bacteria in live gels prolonged their residency times in the gut from one day to at least five days due to the bacteria's ability to continuously regenerate the curli fiber networks that are decorated with TFFs, without affecting the health of mice in any obvious way, " said Joshi.

"This is a great example of synthetic biology-based jujutsu in which Joshi's team took a major problem created by bacteria—the biofilms they create that are so difficult to access and remove—and then flipped the problem on its head through genetic engineering so that the biofilm now essentially becomes a healing Band-aid for our gut. It's an amazing example of biologically inspired engineering at its best, " said Wyss Director Donald Ingber, the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as professor of bioengineering at SEAS.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.