Memanfaatkan Nanomaterial untuk Terapi Regenerasi Canggih

Siapa yang belum pernah melihat film di mana seorang manusia dapat meregenerasi tubuh mereka setelah ditembak atau ditusuk?

Contoh terkenal adalah pengobatan diri Wolverine. Meskipun kita masih sejauh dari mencapai prestasi seperti itu, terkadang precisely ini adalah fantasi yang mendorong kemajuan ilmiah, dan mungkin segera, kita dapat membuatnya menjadi kenyataan.

Satu langkah besar dalam arah ini adalah produksi jati buatan untuk mengganti jati alami yang hilang atau tidak lagi fungsional, seperti protes titanium.

Namun, untuk mencapai tingkat karakter Marvel dalam meregenerasi tubuh kita, kita perlu meningkatkan tingkatnya dan membawa teknologi kita ke level berikutnya; dan sepertinya kita telah berlari cepat.

Ilmuwan telah mengembangkan strategi baru yang membantu tubuh manusia untuk meregenerasi jatinya sendiri dengan menggunakan pendekatan berbasis nanomaterial untuk mengontrol pertumbuhan sel, respons imun, dan remodeling jati.

Bidang ilmu yang menarik ini dikenal sebagai obat regenerasi.

Biarkan saya memberi tahu Anda lebih banyak tentang itu!

Apa hubungan nanomaterial dengan obat regenerasi?

Dalam salah satu artikel kami sebelumnya Nanopartikel Magnetis Canggih untuk Deteksi dan Pengobatan Kanker, kita melihat bagaimana ketika bahan dikhususkan ke dimensi yang sangat kecil, ia dapat memperoleh properti yang sangat berbeda. Ilmu berhasil, hari demi hari, untuk menemukan aplikasi baru untuk properti nanoteknologis ini.

Salah satu janji besar dari nanomaterial adalah kemampuan untuk ‘memodulasi’ respons imun dengan menyatukannya dengan biomolekul manusia (antibodi, sitokin, hormon, dll…).

Tapi apa artinya ‘modulasi’ ini?

Mengontrol respons imun

Sistem imun adalah pasukan tubuh kita. Dan seperti pasukan manapun, tentara tidak hanya digunakan untuk menyerang dan menghancurkan, tetapi juga sebagai sumber pendukung. Misalnya, sistem imun menangani segala macam kontingen, seperti memperbarui jati setelah mengalami cedera, dan membantu mengontrol ketidakseimbangan lingkungan, dengan menghilangkan toksin metabolisme atau zat asing berbahaya.

Kontrol, atau modulasi, ini diatur oleh sejumlah tak terhingga dari biomolekul (misalnya sitokin, interleukin dan hormon) yang konsentrasinya bertindak sebagai sinyal bagi sel untuk memberitahu mereka bagaimana mereka harus berperilaku sepanjang waktu.

Ketika kita menggunakan bahan buatan di pasien untuk menutupi luka bakar, misalnya, diinginkan bahwa akhirnya ia terintegrasi ke dalam tubuh pasien. Secara konkret, kita ingin sel pasien untuk menaklukkan dan tumbuh ke dalam bahan baru sehingga akhirnya, ia diganti dengan jati asli pasien.

Sayangnya, sistem imun sering kali mengenali bahan sebagai entitas asing bagi tubuh kita dan mencoba untuk mengisolasi dengan membuat dinding di sekitarnya yang terdiri dari jaringan ikat fibroso melalui proses yang dikenal sebagai fibrosis. Ini adalah bahan yang miskin dalam sel tetapi kaya dalam molekul (makromolekul seperti kolagen atau fibrine) yang mendukung sel secara struktural. Ia memiliki properti yang secara signifikan berbeda dari jati asli. Banyak dari Anda akan mengenali betapa kaku jaringan luka terasa dibandingkan kulit reguler. Luka yang terletak di sendirannya bahkan dapat menghambat gerakannya.

Diungkapkan dalam artikel saya sebelumnya Dari PLA ke Bio-cetakan: alat fiksi ilmiah untuk bidang medis, strategi untuk menangani penolakan ini oleh sistem imun adalah menggunakan biomaterial untuk membangun rangka (struktur pendukung yang akan ditaklukan oleh sel asli pasien) dari molekul, seperti kolagen. Sayangnya, jika kita menanamkan rangka yang terdiri hanya dari serat kolagen, tubuh akhirnya menyerap bahan ini dan, dalam kasus terbaik, menggantinya dengan fibrosis.

Ini dapat menguntungkan kita jika kita ingin membuat “luka buatan”, misalnya, untuk memperbaiki dinding perut setelah hernia; di mana kita dapat menggunakan, Phasix™ Mesh terbuat dari Poly-4-hydroxybutyrate (P4HB) untuk menutupi cacat dinding.

Untuk mencapai integrasi fungsional dari setiap implan, kita harus mendorong differensiasi sel (yaitu memberikan setiap sel jenis dan fungsinya spesifik) dan menghindari kemungkinan sistem imun menolak implan. Kita dapat melakukannya dengan menggunakan nanomaterial sebagai ‘pengantar’ untuk mengantarkan biomolekul dan sebagai sinyal untuk mendorong proses ini.

Tapi bagaimana jika kita dapat mengimobilkan atau mengarahkan biomolekul itu ke mana pun yang kita inginkan?

Dapatkah kita mengontrol sistem imun?

Misalnya, kombinasi nanomaterial dan antibodi dapat digunakan untuk meningkatkan respons imun, seperti dalam pertar melawan kanker (antibodi-modifikasi nanopartikel oksida besi).

Beberapa nanomaterial itu sendiri sudah memiliki efek inhibitif atau stimulasi langsung (tergantung pada bahan) terhadap respons imun (logam mulia, nanopartikel oksida logam, oksida serium atau dendrimer adalah beberapa contoh). Oleh karena itu, dengan sekedar melapisi permukaan implan dengan nanopartikel itu, kita sebenarnya dapat menghentikan serangan sistem imun padanya. [1]

Strategi untuk mengimobilkan nanomaterial & biomolekul pada permukaan implan

Seperti yang sudah kita sebutkan, ada dua alasan utama untuk ingin melapisi permukaan implan: baik untuk meningkatkan biokompatibilitasnya (untuk mencegah sistem imun menyerangnya) atau untuk memperbaiki biomolekul yang memacu dan mengarahkan proliferasi sel (untuk mengganti implan dengan jati asli pasien).

Ide untuk menanamkan rangka biodegradabil (dilapisi dengan faktor pertumbuhan) yang akan diganti seiring waktu oleh jati pasien adalah topik yang sudah kita bahas dalam Dari PLA ke Bio-cetakan: alat fiksi ilmiah untuk bidang medis. Rangka ini masih dalam fase penelitian tetapi hanya masalah beberapa tahun sebelum kita potensialmente mulai melihatnya memasuki praktik klinis.

Meningkatkan biokompatibilitas bahan asing adalah kebutuhan saat ini untuk industri. Untuk memastikan bahwa tubuh manusia tidak menolak biomaterial yang ditanamkan, kita harus menempelkan lapisan (nanomaterial atau kompleks biomolekul-nanomaterial) yang mengatur sistem imun ke permukaan implan kita. Jadi, ketika sel sistem imun terlalu dekat dengan itu, lapisan menghambat sel dan mencegah generasi reaksi inflamasi di sekitar implan.

Tapi bagaimana kita dapat membuat lapisan seperti itu?

Pada dasarnya ada dua cara untuk ‘menempelkan’ lapisan ke implan: imobilisasi non-kovalen dan imobilisasi kovalen.

Imobilisasi non-kovalen (NCI):

NCI adalah strategi termudah dan termurah untuk melapisi implan, tetapi ini bergantung besar pada seberapa hidrofilik bahan implan adalah. Ini didasarkan pada muatan elektrostatis yang akan menghasilkan gaya tarik antara bahan yang kita tanamkan dan lapisan.

Metode ini menyediakan peluncuran cepat biomolekul, jadi paling nyaman ketika kita tertarik pada respons yang tiba-tiba tetapi bertahan lama. Keuntungan terbesarnya, selain itu, adalah biaya produksi rendah.

NCI dapat diterapkan baik melalui adsorpsi (partikel kecil dengan ukuran antara 500 Ȧ dan 1 mm yang menempel pada permukaan) atau pengawetan (partikel tertangkap dalam matriks porus). [2]

Dalam pengawetan, matriks dibuat dengan polimer yang larut dalam air seperti karagenan, kolagen yang terhidrolisis sebagian (gelatin), alginat, agar atau asetat selulosa tri.[2, 3]

Tapi apa yang terjadi ketika bahan implan hidrofilik dan biomolekul hidrofobik (atau sebaliknya)?

Satu ide sederhana dapat menjadi solusi yang efektif: enkapsulasi biomolekul!

Enkapsulasi adalah melingkupi biomolekul, yang dapat dengan mudah dilakukan menggunakan polimer, seperti agarose, poly(ethyleneglycol) (PEG), atau poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP).

Contoh metode ini adalah penggunaan rangka polisulfona yang diisi dengan larutan gel agarose yang diinfus biomolekul untuk memandu regenerasi serat saraf dan mengurangi inflamasi [4].

Selain itu, jika rangka tidak cukup hidrofilik, strategi terbaik untuk mengimobilkan biomolekul adalah untuk mengenkapsulasikannya dalam fase aqueous terpisah melalui proses yang disebut water-in-oil-in-water (atau double emulsion). Kami juga dapat melakukan absorpsi langsung pada permukaan bahan menggunakan pelarut organik.

Contoh polimer hidrofobik yang banyak digunakan dalam mengimobilkan biomolekul seperti faktor hormonal atau bahkan obat adalah poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA).

Imobilisasi kovalen (CI)

Imobilisasi kovalen terdiri dari menciptakan ikatan tidak dapat diubah antara biomolekul spesifik kita dan polimer yang menjadi bahan implan kita menggunakan apa yang kita sebut agen pengikat; yaitu senyawa kimia yang bereaksi terhadap kondisi fisik (panas, cahaya…) dan membantu kita untuk menciptakan ikatan yang dapat menghubungkan, misalnya, satu rantai polimer ke rantai lain (kita dapat membayangkan mereka sebagai belenggu yang ditutup menggunakan cahaya atau panas untuk menghubungkan kedua polimer).

Metode ini menghasilkan efek yang jauh lebih tiba-tiba pada sistem imun, meskipin bertahan jauh lebih lama; oleh karena itu lebih baik untuk menggunakannya ketika kita tertarik pada respons jangka panjang dan stabil.

Keuntungan utama dari metode ini adalah ia memungkinkan kita untuk melakukan differensiasi jati berlapis. Ini berarti kita dapat merancang titik ikatan yang berbeda dalam rangka kita untuk faktor yang berbeda, sehingga menciptakan wilayah dengan konsentrasi biomolekul yang berbeda untuk mempromosikan jati yang terstruktur secara berbeda.

Sebagai elemen dasar, rangka kolagen-glikosaminoglikan (CG) dapat digunakan (menggunakan karbodiimida sebagai pengikat dengan kepadatan NH2 yang ada di permukaannya).

Contoh imobilisasi kovalen adalah konjugasi polyetilenimina (PEI) dengan heparin untuk membuat selimut guna meningkatkan biokompatibilitas permukaan ali NiTi [5].

Satu metode pengikatan yang semakin penting dalam beberapa tahun terakhir adalah penggunaan Akrilat untuk polimerisasi hidrogel PEG. Akrilat adalah grup fungsional yang sensitif terhadap cahaya ultraviolet. Grup ini dapat ditambahkan ke peptida (atau faktor pertumbuhan lainnya), sehingga memandu sintesis melalui fotopolimerisasi dari rangka yang terdiri dari hibrida polimer-biomolekul. Kemungkinan untuk mengintegrasikan proses ini dengan pencetakan 3D untuk memberikan pola struktural pada rangka kita membuat fotopolimerisasi salah satu metode yang paling relevan untuk mengimobilkan biomolekul.

Proses fotolitografi alternatif juga telah dirancang, misalnya, Institut Fraunhofer untuk Rekayasa Antarmuka dan Bioteknologi menggunakan metode yang terdiri dari memasang faktor pertumbuhan pada rangka CG menggunakan benzofenon (BP). [6, 7]

Target yang lebih selektif lainnya, karena kurang umum dibandingkan dengan grup NH2, adalah grup SH. Pengikat berbasis sulfhidril banyak digunakan untuk membuat lapisan yang mencegah aktivasi komplement (komponen yang sangat penting dari sistem imun) terhadap graf kita [8].

Kesimpulan

Jadi, jelas ada berbagai strategi untuk mengimobilkan biomolekul pada permukaan bahan untuk mengontrol respons imun atau proses differensiasi.

Sebelum memilih satu metode imobilisasi, penting untuk mengetahui properti bahan yang akan Anda gunakan dan profil kurva peluasan biomolekul yang ingin Anda capai. Pendekatan terbaik adalah kombinasi dari berbagai metode konjugasi, dengan mengingat bahwa sistem imun tidak memiliki sifat statis. Ia menunjukkan variasi dinamis seiring waktu.

Lapisan implan dengan nanomaterial (atau kompleks nanomaterial-biomolekul) untuk meningkatkan biokompatibilitas implan banyak digunakan saat ini. Namun, fakta ini contraste tajam dengan kasus pembuatan rangka dengan konsentrasi berlapis dari biomolekul yang dienkapsulasi atau terikat. Meskipun jumlah besar aktivitas di bidang ini, tidak ada banyak perusahaan saat ini yang menyediakan rangka ini, dan ada banyak tindakan regulasi yang harus ditangani sebelum membawa produk ini ke pasar.

Itu berarti kita akan harus menunggu sedikit lebih lama untuk dapat melakukan penyembuhan bebas luka sepenuhnya. Namun penunggu, kemungkinan besar, tidak akan lama. Teknologi yang menjanjikan ini dapat digunakan dalam praktik medis sehari-hari dalam waktu beberapa tahun.