Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno dimostrato che una classe di materiali compositi intrecciati chiamati reti polimeriche semi-interpenetranti (sIPN) può essere prodotta da cellule viventi. L'approccio potrebbe rendere questi materiali versatili più compatibili dal punto di vista biologico per applicazioni biomediche come i sistemi di somministrazione ritardata di farmaci.

La ricerca appare online l'8 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il concetto di sIPN esiste da più di 100 anni ed è stato utilizzato nelle parti automobilistiche, dispositivi medici, composti per stampaggio e tecnopolimeri. L'idea generale è che uno o più polimeri si assemblano attorno a un'altra impalcatura polimerica in modo tale da essere interconnessi. Anche se i polimeri non sono legati chimicamente, non possono essere smontati e formano un nuovo materiale con proprietà maggiori della semplice somma delle sue parti.

I metodi tradizionali per la produzione di sIPN in genere comportano la produzione delle parti costitutive chiamate monomeri e la loro miscelazione nelle giuste condizioni chimiche per controllare il loro assemblaggio in grandi reti in un processo chiamato polimerizzazione.

"Quando funziona, è una piattaforma fantastica che può incorporare diverse funzionalità nello strato autoassemblato per applicazioni biomediche o ambientali, " ha detto Lingchong You, professore di ingegneria biomedica alla Duke. "Ma il processo spesso non è così biocompatibile come potresti desiderare. Quindi abbiamo pensato perché non utilizzare cellule viventi per sintetizzare il secondo strato per renderlo il più biocompatibile possibile?"

Nel nuovo giornale, Zhuojun Dai, un ex postdoc nel laboratorio You che ora è professore associato presso l'Istituto di biologia sintetica di Shenzhen, utilizza una piattaforma che il laboratorio ha sviluppato per diversi anni chiamata "swarmbots" per fare proprio questo.

Gli sciami sono cellule viventi programmate per produrre molecole biologiche all'interno delle loro pareti e poi esplodere una volta che la loro popolazione raggiunge una certa densità. In questo caso, sono programmati per produrre monomeri chiamati polipeptidi simili all'elastina (ELP) fusi con caratteristiche funzionali chiamate SpyTag e SpyCatcher. Queste due strutture molecolari formano un sistema lock-and-key, consentendo agli ELP di autoassemblarsi in una catena polimerica quando miscelati. Man mano che crescono, questi polimeri si intrecciano con le microcapsule polimeriche contenenti le cellule per formare sIPN.

Ogni monomero può contenere più SpyTag o SpyCatcher e può anche essere fuso con proteine ​​che generano una lettura o hanno funzioni specifiche. È un po' come creare una recinzione a catena con tanti piccoli braccialetti con ciondoli che hanno spazio per fermagli e ciondoli.

I ricercatori programmano prima le cellule per riempire questa caratteristica accessoriabile con una proteina fluorescente per dimostrare che il sistema può bloccarle in posizione. Dopo quella dimostrazione di successo, rivolgono la loro attenzione alla progettazione di un utile sistema di somministrazione di farmaci con la loro nuova invenzione.

"Potresti sostituire il pennarello fluorescente con qualsiasi cosa che abbia una funzione che desideri avere, " ha detto You. "Abbiamo deciso di toccare gli antibiotici perché è uno degli altri focus del nostro laboratorio".

Antibiotici beta-lattamici, come la penicillina e i suoi derivati, sono alcuni degli antibiotici più comunemente usati al mondo. Sono anche spesso abusati e possono avere effetti negativi come la distruzione del microbioma naturale che vive nelle nostre viscere.

Per dimostrare un modo in cui i loro nuovi sIPN costruiti su cellule potrebbero essere utili, i ricercatori riempiono il punto accessoriabile con beta-lattamasi, che possono degradare gli antibiotici beta-lattamici. Iniettando le sIPN appena funzionalizzate nei topi, i ricercatori hanno mostrato che la piattaforma potrebbe rilasciare lentamente la molecola protettiva altrimenti di breve durata per aiutare i microbiomi intestinali dei topi a scongiurare gli effetti collaterali negativi degli antibiotici.

"Nessuno ha mai usato cellule viventi come una fabbrica per produrre monomeri in tempo reale per sIPN prima, " hai detto. "La dimostrazione di prova di principio mostra che, non solo possiamo fabbricare questi tipi di materiali funzionali con cellule vive, ma possono esibire funzioni rilevanti dal punto di vista medico."