L’ingegneria tissutale, che prevede l’uso di innesti o impalcature per favorire la rigenerazione cellulare, sta emergendo come una pratica medica chiave per il trattamento della perdita muscolare volumetrica (VML), una condizione in cui una quantità significativa di tessuto muscolare viene persa oltre la naturale capacità rigenerativa del corpo. Per migliorare i risultati chirurgici, gli innesti muscolari tradizionali stanno lasciando il posto a materiali per impalcature artificiali, con le nanoparticelle MXene (NP) che si distinguono come un'opzione promettente.
Le NP MXene sono materiali 2D composti principalmente da carburi di metalli di transizione e nitruro. Sono altamente conduttivi elettricamente, possono ospitare un'ampia gamma di gruppi funzionali e hanno strutture impilate che promuovono le interazioni cellulari e la crescita muscolare. Sebbene ci siano state dimostrazioni pratiche in laboratorio che hanno dimostrato la loro capacità di promuovere la ricostruzione dei muscoli scheletrici, il meccanismo specifico attraverso il quale lo fanno rimane poco chiaro.
Per colmare questa lacuna, il professore associato Yun Hak Kim del Dipartimento di anatomia e di informatica biomedica, insieme ai professori Suck Won Hong e Dong-Wook Han del Dipartimento di ingegneria cogno-meccatronica dell'Università nazionale di Pusan, hanno sviluppato matrici nanofibrose contenenti MXene NP. come impalcature. Hanno utilizzato il sequenziamento del DNA per rivelare i geni e i percorsi biologici attivati dalle NP MXene per favorire la rigenerazione muscolare.
Questi risultati, pubblicati in Nano-Micro Letters , segnano un progresso significativo nell'uso degli scaffold MXene per il trattamento dei danni muscolari.
"Questa scoperta apre una strada potenziale per l'utilizzo di questi materiali per aumentare l'efficacia della rigenerazione del tessuto muscolare dopo un infortunio o un danno", spiega il professor Kim.
Nella fase iniziale, il team ha creato una matrice PCM nanofibrosa contenente poli(lattide-co-ε-caprolattone) (P), rinforzata con collagene (C) e Ti3 C2 Tx Nanoparticelle di MXene (M). Per determinare l'effetto specifico delle NP MXene sulla crescita muscolare, hanno preparato tre controlli:PLCL incontaminato (P), PLCL con collagene (PC) e PLCL con MXene (PM). Dopo aver testato tutti gli scaffold su modelli murini con perdita muscolare volumetrica indotta, i ricercatori hanno osservato un aumento significativo del numero complessivo di cellule muscolari nei topi trattati con PCM rispetto agli altri gruppi.
Per comprendere l'impatto delle nanoparticelle (NP) MXene sulla rigenerazione e sulla crescita muscolare a livello molecolare, i ricercatori hanno introdotto il C2 C12 mioblasti, precursori delle cellule muscolari, su matrici PC e PCM. L'obiettivo era analizzare le differenze nei livelli di espressione genica tra le due matrici. All'interno della matrice PCM, è stata identificata una maggiore produzione di ossido nitrico sintasi inducibile (iNOS) e chinasi 1 regolata dal siero/glucocorticoidi (SGK1), due proteine strettamente associate alla segnalazione del calcio e alla rigenerazione muscolare.
Questi risultati suggeriscono che gli MXeni promuovono lo ione calcio (Ca 2+ ) deposizione intorno alle cellule. Ciò ha aumentato i livelli di Ca 2+ intracellulare innesca l'attivazione dei geni che producono le proteine iNOS e SGK1. SGK1 influenza la via mTOR-AKT, promuovendo la proliferazione cellulare, la sopravvivenza e la miogenesi, ovvero la conversione dei mioblasti in fibre muscolari. Allo stesso tempo, iNOS aumenta la produzione di ossido nitrico (NO), contribuendo alla proliferazione dei mioblasti e alla fusione delle fibre muscolari.
Gli effetti combinati portano allo sviluppo di tessuto muscolare maturo. Le matrici nanofibrose PCM allineate offrono segnali biofisici per la segnalazione biochimica intracellulare, guidando i comportamenti miogenici. Questa scoperta contribuisce alla nostra comprensione del potenziale di MXene di far ricrescere i muscoli e promette di perfezionare la progettazione delle impalcature per migliorare ulteriormente questo processo.
"Entro 5-10 anni, questa ricerca potrebbe produrre trattamenti innovativi per le lesioni muscolari. Le matrici infuse con MXene NP potrebbero diventare una routine nella pratica medica per atleti, persone con disturbi muscolari e coloro che si stanno riprendendo da traumi o interventi chirurgici correlati ai muscoli, " Afferma il prof. Kim. "Queste NP potrebbero migliorare i metodi di rigenerazione muscolare, offrendo risultati migliori per interventi chirurgici ricostruttivi e condizioni come la distrofia muscolare, in cui la funzione muscolare è compromessa."
Le matrici infuse con MXene NP hanno un potenziale di personalizzazione per soddisfare le diverse esigenze nel trattamento delle lesioni da perdita muscolare. Questa personalizzazione può comportare la regolazione della composizione, della struttura o delle proprietà per soddisfare i requisiti specifici del paziente, come dimensioni, forma o miglioramento della bioattività. La personalizzazione di questi materiali potrebbe offrire soluzioni personalizzate per vari livelli di gravità della perdita muscolare. Inoltre, la rigenerazione muscolare potenziata osservata potrebbe favorire un recupero più efficiente, riducendo potenzialmente le esigenze di riabilitazione post-trattamento.
Queste matrici, con proprietà meccaniche controllabili, promettono di migliorare la rigenerazione muscolare in vivo. Ulteriori ricerche su MXene promettono applicazioni cliniche ampliate, con potenziali benefici per il benessere umano.
Ulteriori informazioni: Moon Sung Kang et al, Matrici di nanofibre ternarie altamente allineate caricate con MXene accelerano la rigenerazione della perdita muscolare volumetrica, nano-micro lettere (2024). DOI:10.1007/s40820-023-01293-1
Fornito da Pusan National University
