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超声控制基因是骨再生的可行方法

生长因子,或刺激活细胞内生长所需的激素或维生素等物质,在组织再生中起着关键作用。

密歇根大学放射学研究助理教授Mario Fabiilli博士说,如果没有它们,许多细胞反应就不会被触发,从而阻碍组织修复和发育。“因为生长因子是以精确控制的方式产生的,然而,许多研究人员遇到了开发有效方法来实时再现其模式的挑战,”他说。

这激发了Fabiilli和UM的牙周病和口腔医学教授Renny Franceschi博士的共同领导,该团队探索了骨和软组织再生的潜在疗法。他们的开创性研究最近发表在Biomaterials期刊上。

该团队由来自生物医学工程和牙科等广泛领域的研究人员组成,他们发现使用高强度聚焦超声或HIFU(美国食品和药物管理局批准用于治疗各种疾病的方法)可以在耦合时促进组织再生。含有“基因开关”的转基因细胞。

通过设计,基因开关控制分子的表达,类似于生长因子。然而,Fabiilli和他的团队的基因开关是新颖的,因为它需要热激和激活配体:“当我们在特定的激活配体存在下将细胞加热到体温以上5到8摄氏度时,基因开关是打开,从而刺激基因表达。观察真的很有意思,“Fabiilli说。

首先,该团队开发了一种既具有生物相容性 - 或对生命组织无害的支架 - 并且在暴露于HIFU时容易加热。对于组织再生,递送的细胞通常包封在支架内,支架植入缺陷组织的部位。模拟细胞外基质的支架提供了支持组织再生的细胞过程的3D微环境。

“水凝胶由亲水聚合物组成,是一种常用的支架,”Fabiilli说。“由于含水量高,水凝胶的声衰减非常低。这意味着传统的水凝胶不能非常有效地加热。“

为了抵消这个问题,研究人员需要开发一种声学衰减类似于软组织的复合支架。考虑到这一点,他们开发了一种由纤维蛋白和羟基磷灰石颗粒组成的复合水凝胶支架。纤维蛋白是血凝块的主要成分,通常用于组织再生中的细胞递送。羟基磷灰石是骨骼的矿物成分。

然后该团队将含有基因开关的细胞封装起来,该基因开关控制复合支架和仅纤维蛋白支架内的萤火虫荧光素酶(fLuc)转基因的激活。两种形式同时暴露于不同强度的HIFU和活化配体,其为雷帕霉素。由于较高的衰减,复合支架加热更有效,从而产生转基因表达。仅纤维蛋白支架未显示相同的特征。

此外,该团队使用生物发光成像显示,通过将HIFU的焦点移动到载有细胞的复合支架上,可以在空间上图案化fLuc活化。“我们能够保持基因表达控制在立方毫米精度内,”Fabiilli说。

Fabiilli和他的团队还表明,基因激活可以在体内或生物体内进行控制。“我们将含有基因开关控制表达fLuc的细胞整合到复合支架中,然后将它们皮下植入小鼠体内,”Fabiilli说。“有趣的是,我们观察到暴露于HIFU和配体的构建体中的表达率(使用生物发光成像)显着高于单独的配体。”

最终,该团队还发现基因开关可以多次打开,这可能有利于促进组织再生。我们回去并应用了HIFU和配体,观察到第一轮后8天反复激活转基因表达,”Fabiilli说。“在组织再生方面,这绝对令人着迷并让位于更多的可能性。”

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