"Ευφυή" βιομιμητικά υλικά: ιστική αναγέννηση και αλληλεπίδραση με "εξατομικευμένους" μεταβολίτες του μικροβιώματος

Abstract

In this project, non-toxic protein-based scaffolds were designed and synthesized using molecular biology techniques that attract stem cells and induce their differentiation into osteocytes or chondrocytes in order to regenerate damaged tissue. These scaffolds combine the mechanical properties of human tropoelastin (high elasticity), silk fibroin (mechanical strength), and mussel adhesion protein-1 (toughness and adherence to surfaces). In addition, they expose cell adhesion peptides and potent peptides from growth factors that induce osteogenesis (BMP-2) or chondrogenesis (TGF-1).The bioscaffolds form three-dimensional, semi-rigid, viscoelastic networks at 37 oC with high elasticity and viscosity values. Rheological experiments also showed that the fibers of these networks gradually acquire a parallel orientation under the influence of rotational flow forces. With appropriate treatment, porous scaffolds with high pore connectivity were formed. Our experiments showed that the porous bio-scaffolds containing signaling peptides from BMP-2 or TGFβ1 induce marker gene expression with high efficiency and activate canonical and non-canonical signaling pathways of osteogenesis or chondrogenesis, respectively, after 21 days of culture. In addition, the effect of metabolites of anaerobic bacteria of the gastrointestinal microbiome on Caco-2 epithelial cancer cells grown in the presence of the biomaterial was studied. Effects on metabolites and genes involved in DNA replication as well as effects on cell phenotype and on the expression of proteins involved in the formation of microvilli and tight cell junctions were observed, which indicate the possible protective effect of the biomaterial against bacterial metabolites that promote the hyperproliferation of Caco-2 cancer cells.

Στα πλαίσια αυτού του έργου σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν με τεχνικές μοριακής βιολογίας, μη τοξικά πρωτεϊνικά βιο-ικριώματα, τα οποία προσελκύουν στελεχιαία κύτταρα και επάγουν την διαφοροποίησή τους προς οστεοκύτταρα ή χονδροκύτταρα με σκοπό την αναγέννηση κατεστραμμένου ιστού. Τα ικριώματα συνδυάζουν τις μηχανικές ιδιότητες της ανθρώπινης τροποελαστίνης (υψηλή ελαστικότητα), της φιμπροΐνης του μεταξιού (μηχανική αντοχή) και της προσκολλητικής πρωτεΐνης-1 του μυδιού (ανθεκτικότητα, προσκόλληση σε επιφάνειες). Επιπλέον, εκθέτουν πεπτίδια κυτταρικής προσκόλλησης και δραστικά πεπτίδια από αυξητικούς παράγοντες που επάγουν την οστεογένεση (BMP-2) ή τη χονδρογένεση (TGF-β1). Τα βιο-ϊκριώματα σχηματίζουν τριδιάστατα, ημι-άκαμπτα, ιξωδοελαστικά δίκτυα στους 37 oC με υψηλές τιμές ελαστικότητας και ιξώδους. Τα ρεολογικά πειράματα έδειξαν επίσης πως οι ίνες αυτών των δικτύων αποκτούν σταδιακά παράλληλο προσανατολισμό κατά την επίδραση περιστροφικών δυνάμεων ροής. Με κατάλληλη επεξεργασία σχηματίστηκαν πορώδη βιο-ϊκριώματα με υψηλή διασυνδεσιμότητα πόρων. Τα πειράματά μας έδειξαν ότι τα πορώδη βιο-ϊκριώματα που περιέχουν σηματοδοτικά πεπτίδια από την BMP-2 ή τον TGFβ1 επάγουν με μεγάλη αποτελεσματικότητα την έκφραση γονιδίων-δεικτών και ενεργοποιούν κανονικά και μη κανονικά μονοπάτια σηματοδότησης της οστεογένεσης ή της χονδρογένεσης αντίστοιχα, μετά από 21 ημέρες καλλιέργειας. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η επίδραση μεταβολιτών αναερόβιων βακτηρίων του γαστρεντερικού μικροβιώματος σε επιθηλιακά καρκινικά κύτταρα Caco-2 που αναπτύσσονται παρουσία του βιοϋλικού, και διαπιστώθηκαν επιδράσεις σε μεταβολίτες και γονίδια της αντιγραφής του DNA, στο φαινότυπο των κυττάρων και στην έκφραση πρωτεϊνών που συμμετέχουν στον σχηματισμό των μικρολαχνών και των στεγανών κυτταρικών συνδέσμων, οι οποίες υποδεικνύουν την πιθανή προστατευτική δράση του βιοϋλικού έναντι βακτηριακών μεταβολιτών που προάγουν τον υπερπολλαπλασιασμό των καρκινικών Caco-2.