Negli ultimi decenni, scienziati dei materiali e chimici hanno lavorato alla progettazione di materiali sempre più sofisticati per un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche e scientifiche. Questi materiali includono polimeri sintetici e idrogel che potrebbero essere introdotti all'interno del corpo umano come parte di interventi medici.
I ricercatori del Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, della Technische Universität Dresden e di altri istituti in Germania hanno recentemente progettato nuovi materiali completamente sintetici con una matrice dinamica reticolata con DNA che potrebbe rivelarsi utile per la creazione di organoidi (organi artificiali) e altri sistemi biomimetici . Questi materiali, introdotti in Nature Nanotechnology , sono versatili, programmabili e relativamente economici, il che li rende vantaggiosi per la ricerca medica e biologica.
"La chimica dei polimeri può creare materiali con proprietà meravigliose", ha detto a Phys.org Elisha Krieg, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Pensiamo ai prodotti di uso quotidiano come giocattoli e imballaggi, ma anche giubbotti antiproiettile, paracadute, protesi mediche, ecc. Ma questi materiali sono molto statici:non è facile cambiare le loro proprietà, una volta rotti non possono guarire se stessi, e le loro caratteristiche sono difficili da prevedere. Il nostro gruppo cerca di creare materiali che siano più simili alla materia vivente:adattivi, autorigeneranti e programmati per svolgere funzioni specifiche."
Il campo della nanotecnologia del DNA, fondato per la prima volta da Ned Seeman, si concentra sulla progettazione e produzione di strutture di DNA artificiale con possibili applicazioni biomediche e biofisiche. Precedenti studi sulla nanotecnologia del DNA hanno dimostrato che il DNA può essere riprogrammato per controllare le proprietà della materia su scala nanometrica.
Il recente lavoro di Krieg e del suo collega Yu-Hsuan Peng si basa su precedenti sforzi di ricerca in questo campo. Il suo obiettivo era creare una matrice di idrogel morbida che potesse ospitare cellule viventi e potesse quindi essere utilizzata per progettare tessuti, organoidi, impianti medici e altri sistemi biofisici.
"Speravamo che, utilizzando i principi della nanotecnologia del DNA, potessimo controllare con precisione le proprietà del nostro materiale morbido per supportare in modo ottimale le cellule e guidarne lo sviluppo", ha spiegato Krieg. "Il nostro obiettivo era creare un materiale che fosse completamente sintetico, biocompatibile e, cosa più importante, che il suo comportamento meccanico fosse regolabile senza modificarne drasticamente la composizione chimica. Ultimo ma non meno importante, per noi era importante che il materiale fosse poco costoso, come speravamo venisse applicato da molti altri gruppi in futuro."
Per creare un materiale versatile, sintetico, biocompatibile, programmabile ed economico, i ricercatori hanno unito due diversi componenti. Le prime sono catene polimeriche pesanti biologicamente funzionali.
"Queste catene polimeriche fungono da impalcatura strutturale per il materiale", ha detto Krieg. "Hanno catene laterali di DNA che consentono ad ulteriori moduli basati sul DNA di integrarsi nel materiale, reticolare il polimero e integrarlo con funzioni specifiche."
Il secondo componente del materiale del team è composto da moduli DNA unici. Questi moduli vengono collegati al materiale per programmarne le proprietà e le caratteristiche, consentendogli di funzionare in modi specifici,
"Un'innovazione fondamentale è stata l'uso di 'biblioteche' basate sul DNA, miscele complesse di filamenti di DNA, che rendono il collegamento incrociato altamente efficiente", ha affermato Krieg. "Le sequenze delle librerie di DNA controllano anche importanti caratteristiche del materiale, come la plasticità e la rigidità a diverse temperature."
La matrice dinamica reticolata del DNA creata da Krieg e dai suoi colleghi, soprannominata DyNAtrix, potrebbe essere utilizzata per coltivare una varietà di cellule in un ambiente di laboratorio, comprese le cellule staminali pluripotenti umane e gli organoidi. Sorprendentemente, il loro materiale è anche autoriparante e può essere facilmente integrato con la tecnologia di stampa 3D per produrre una varietà di tessuti e strutture 3D complessi.
"La coltura di cellule in DyNAtrix può aiutare a rispondere a domande sulla biologia dello sviluppo, potrebbe essere utilizzata per coltivare tessuti per la medicina rigenerativa o per testare l'effetto di specifici farmaci candidati con cellule derivate dai pazienti. La mia speranza è che i test sui farmaci in vitro Il sistema di coltura cellulare un giorno sostituirà completamente la sperimentazione animale."
Il nuovo materiale introdotto da questo team di ricercatori ha il potenziale per far avanzare presto la ricerca biomeccanica, biofisica e biomedica. DyNAtrix è completamente sintetico, programmabile, facile da riprodurre su larga scala e può essere regolato con elevata precisione. Potrebbe anche essere più facile da utilizzare in contesti clinici rispetto ai materiali di derivazione animale, come Matrigel (ovvero una matrice estratta da cellule tumorali di topo che viene spesso utilizzata per coltivare cellule in laboratorio).
Nei loro prossimi studi, Krieg, Peng e i loro colleghi intendono esaminare ulteriormente le applicazioni pratiche della loro matrice. Ad esempio, inizieranno a collaborare con i biologi cellulari, aiutandoli a utilizzare DyNAtrix per affrontare problemi di ricerca specifici.
"Le proprietà meccaniche regolabili di DyNAtrix lo rendono particolarmente interessante per rispondere a domande nel campo della meccanobiologia, come ad esempio:in che modo le caratteristiche meccaniche (rigidità, viscosità, plasticità) influenzano lo sviluppo delle cellule? Che rilevanza hanno questi effetti in un organismo vivente ? Che rilevanza hanno in malattie come il cancro? E in che modo esattamente l'ambiente meccanico stimola una risposta nei tessuti viventi?" Krieg ha aggiunto.
"Il lavoro nel nostro laboratorio è attualmente focalizzato sull'estensione delle capacità di DyNAtrix. Ad esempio, collegando sensori di forza fluorescenti, speriamo che le interazioni meccaniche tra le cellule e il loro ambiente possano essere quantificate al microscopio."
La matrice DyNAtrix è ancora nelle fasi iniziali di sviluppo, poiché richiede ancora ai ricercatori di aggiungere manualmente moduli di DNA per indurre cambiamenti nelle proprietà di un materiale. In futuro, il team spera di migliorarne ulteriormente la composizione e le prestazioni, ad esempio utilizzando reti di reazione più sofisticate basate sul DNA che consentirebbero di rispondere autonomamente al comportamento delle cellule.
Ulteriori informazioni: Y.-H. Peng et al, Matrici dinamiche con viscoelasticità codificata dal DNA per colture cellulari e organoidi, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01483-3.
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