Sieć doskonałości w zakresie biomateriałów funkcjonalnych

Network of Excellence for Functional Biomaterials (NFB) to multidyscyplinarne centrum badawcze, w którym pracuje ponad sześćdziesięciu biologów, chemików, naukowców, inżynierów i klinicystów. Ma siedzibę na National University of Ireland w Galway i jest kierowany przez profesora Abhay Pandit.

NFB specjalizuje się w opracowywaniu platform biomateriałów , koncentrując się na celach klinicznych w obszarach rekonstrukcji układu mięśniowo-szkieletowego i sercowo-naczyniowego, regeneracji nerwów, naprawie tkanek miękkich i zastosowaniach okulistycznych, a także stale rozwija funkcjonalne biomateriały do ​​innowacyjnych rozwiązań terapeutycznych. Funkcjonalność tych form jest osiągana dzięki niestandardowej chemii, która ułatwia przyłączanie ugrupowań związanych z powierzchnią lub kapsułkowanych czynników terapeutycznych, w tym leków, genów, komórek, czynników wzrostu, hormonów i innych środków aktywnych do określonych miejsc docelowych.

Podczas gdy NFB została początkowo utworzona w 2003 r., centrum zostało włączone do strategicznego klastra badawczego (SRC) w 2007 r. dzięki finansowaniu z Science Foundation Ireland (SFI) w celu ustanowienia współpracy partnerskiej z krajowymi i międzynarodowymi uniwersytetami i przemysłem.

NFB stale opracowuje nowe technologie do stosowania w dostarczaniu genów i dostarczaniu leków przy użyciu szerokiej gamy materiałów o znaczeniu klinicznym, w tym naturalnie występujących biopolimerów , takich jak kolagen, elastyna, kwas hialuronowy i chitozan; polimery syntetyczne, takie jak glikol polietylenowy (PEG), poli(kwas mlekowy-ko-glikolowy) (PLGA), poli(kwas mlekowy) (PLA), alkohol poliwinylowy (PVA), polidioksanon (PDO), polikaprolakton (PCL); a także metale, stopy i ceramika. Badacze NFB wykorzystują szereg nanotechnologie i technologie mikrowytwarzania (oddolne lub odgórne) w celu tworzenia złożonych struktur ze wskazówkami topograficznymi do wykorzystania jako rusztowania do zastosowań w inżynierii tkankowej . Dostępne są najnowocześniejsze urządzenia do oceny objętości, powierzchni i właściwości biologicznych produkowanych biomateriałów.

Cele kliniczne

Działalność badawcza obejmuje opracowywanie prototypów biomateriałów w skali od nano do mikro w celu dostarczenia platform terapeutycznych i diagnostycznych. Platformy biomateriałów w NFB obejmują: rusztowania z pouczającymi sygnałami biofizycznymi, funkcjonalne nanocząsteczki , hiperrozgałęzione polimery i technologie arkuszy komórkowych. Nacisk kładziony jest na wykorzystanie biomateriałów do realizacji kluczowych celów klinicznych w następujący sposób:

Regeneracja krążków międzykręgowych

Zwyrodnienie krążka międzykręgowego (IVD) jest główną przyczyną bólu szyi i krzyża. IVD składa się z galaretowatego jądra miażdżystego (NP) i kilku otaczających współosiowych blaszek, które tworzą wewnętrzny i zewnętrzny pierścień włóknisty . Ta unikalna cecha konstrukcyjna pozwala IVD ograniczać ruch przy dużych obciążeniach i zapewniać elastyczność przy niskich obciążeniach. Podczas gdy uważa się, że czynniki takie jak nieprawidłowe obciążenia mechaniczne, brak równowagi biochemicznej oraz niedobory żywieniowe i genetyczne odgrywają rolę w zwyrodnieniu dysku, naturalny proces starzenia charakteryzuje się również zastąpieniem galaretowatego jądra miażdżystego dysku przez mniej elastyczną chrząstkę. dysk. Obecne metody leczenia (zwykle masaże, mediacje lub akupunktura, manipulacje) zazwyczaj zapewniają krótkotrwałą ulgę, chociaż inwazyjna operacja może być stosowana w ostateczności. Strategia NFB polega na opracowaniu nadającego się do wstrzykiwania, funkcjonalizowanego hydrożelu wypełnionego wydrążonymi sferami opartymi na macierzy zewnątrzkomórkowej, który przywróci właściwości mechaniczne krążka i dostarczy geny w celu regulacji w górę składników macierzy zewnątrzkomórkowej, takich jak agrekan, które są ograniczone w stanie chorobowym. Sfery zostaną funkcjonalizowane za pomocą hiperrozgałęzionych polimerów na bazie PEG, zaprojektowanych i opracowanych we własnym zakresie, które umożliwią dostarczanie określonych cząsteczek bioaktywnych i będą dostarczane poprzez wstrzyknięcie bezpośrednio do kręgosłupa. Wyniki podstawowych badań prowadzonych obecnie w NFB pozwolą lepiej zrozumieć zwyrodnienie krążka międzykręgowego i zostaną wykorzystane do opracowania nowych interwencji terapeutycznych w leczeniu zwyrodnienia krążka międzykręgowego.

Regeneracja ścięgien i więzadeł

Ponad 17 milionów ścięgien operacji przeprowadza się rocznie w samych Stanach Zjednoczonych. Incydenty ze ścięgnami wiążą się z bólem i niską jakością życia, co prowadzi do kosztów opieki zdrowotnej przekraczających 150 miliardów USD rocznie w Europie. Nieinwazyjne strategie farmakologiczne wykazują niewielki sukces, nawet w przypadku niewielkich urazów. Konieczna jest zatem interwencja, zwłaszcza w przypadku poważnych obrażeń lub dużych uszkodzeń. Terapie naprawcze ścięgien w dużej mierze opierają się na przeszczepach tkanek i syntetycznych biomateriałach. Jednak ograniczona podaż autoprzeszczepów w ciężkich urazach i stanach zwyrodnieniowych ogranicza ich zastosowanie. Kwestionowano również stosowanie alloprzeszczepów / ksenoprzeszczepów ze względu na niski wskaźnik powodzenia. Długoterminowe badania implantacji ujawniły również kilka wad (np. włókniste kapsułkowanie implantu) w stosowaniu materiałów syntetycznych. W tym celu NFB opracował nanostrukturalne rusztowania na bazie kolagenu o właściwościach strukturalnych, fizycznych i biologicznych podobnych do uzyskanych z natywnych zespołów supramolekularnych. Obecnie badany jest wpływ funkcjonalizacji rusztowania proteoglikanami i glikozaminoglikanami na regenerację funkcjonalną. NFB opracowuje również oparte na komórkach terapie naprawy ścięgien.

Naprawa tkanek miękkich

Naprawa ran wynika ze złożonej i wysoce zorganizowanej odpowiedzi komórkowej i biochemicznej na uszkodzenie tkanki. Biorąc pod uwagę, że gojenie ran stanowi główny problem w praktyce klinicznej i wiąże się z ogromnymi kosztami opieki zdrowotnej, NFB opracowuje kilka platform opartych na rusztowaniach, aby indukować gojenie się ran i przywracać funkcje. Na przykład w przypadkach przewlekłego gojenia (np. u pacjentów z cukrzycą) zastosowano rusztowanie na bazie fibryny, aby skierować wektor kodujący eNOS do miejsca rany. Zwiększa to wydajność transfekcji wektora, co skutkuje większą ekspresją eNOS, większą produkcją NO i lepszym gojeniem w modelu upośledzonej rany. Recesywne dystroficzne pęcherzowe oddzielanie się naskórka (RDEB) jest szczególnie ciężką chorobą genetyczną, która prowadzi do rozległych pęcherzy, powtarzających się ran i słabych zdolności gojenia. RDEB jest spowodowane mutacjami w genie COL7A1, co powoduje zmniejszenie lub utratę kolagenu typu VII w skórze. Jeden z projektów w NFB ma na celu dostarczenie genu COL7A1 otoczonego wrażliwym na ciepło i sieciującym rusztowaniem hydrożelowym do komórek EB na ranach poprzez niewirusowy system dostarczania genów. NFB wykorzystuje również naturalne i syntetyczne wydrążone mikrosfery do kapsułkowania leków przeciwzwłóknieniowych i włączania ich do wszczepialnych urządzeń w celu zahamowania tworzenia się włóknistych kapsułek. Kolejna strategia opracowana przez NFB w zakresie augmentacji tkanek miękkich z wykorzystaniem macierzy zewnątrzkomórkowej pochodzenia cholecystowego (CEM). Badania NFB wykazały, że jest bardzo skuteczny w powiększaniu defektów ścian ciała, przede wszystkim ze względu na swoją siłę i naturalne właściwości biologiczne. Optymalna stabilizacja i funkcjonalizacja zapewnia kontrolę nad degradacją, która może odpowiadać tempu procesu gojenia.

Fibroblasty RDEB transfekowane lipopleksami

Naprawa przepukliny

przepuklin należą do najczęściej wykonywanych obecnie zabiegów chirurgicznych, z ponad 20 milionami przypadków rocznie na całym świecie. Częstość występowania przepuklin w ciągu całego życia wynosi 27% u mężczyzn i 3% u kobiet, z powikłaniami związanymi z łagodnym bólem, niską jakością życia pacjenta i, w rzadkich przypadkach, potencjalnie śmiertelnymi. Według statystyk stanu zdrowia USA w latach 2000-2009 16438 osób zmarło z powodu powikłań związanych z przepukliną. W ten sposób prowadzi to do ogromnych kosztów opieki zdrowotnej, przekraczających w USA 48 miliardów dolarów rocznie. Obecnie operacje przepukliny w dużym stopniu opierają się na nieulegającym degradacji polipropylenie , z politetrafluoroetylenu i nylonu. Powikłania związane z siatkami obejmują „niepożądane reakcje na siatkę, zrosty (gdy pętle jelit przylegają do siebie lub do siatki) oraz urazy pobliskich narządów, nerwów lub naczyń krwionośnych. Mogą wystąpić inne powikłania naprawy przepukliny z siatką lub bez niej, w tym infekcja, przewlekły ból i nawrót przepukliny”. Jednak te polimery są często związane z reakcją na ciało obce; awaria implantu; i nawrót przepukliny (ponad 42%). Co więcej, wyciekające substancje chemiczne z tych polimerów są często szkodliwe dla otaczających komórek i tkanek oraz unieruchamiają pooperacyjne leczenie farmakologiczne. NFB opracowuje nanowłókniste siatki z dobrze zdefiniowaną nanotopografią i możliwościami ładowania leków w celu poprawy naprawy funkcjonalnej.

Okulistyka

Choroby rogówki są główną przyczyną utraty wzroku na całym świecie. Każdego roku około 10 000 000 osób cierpi na różne choroby oczu i wymaga przeszczepu rogówki. Przeszczepy tkankowe, w tym błony owodniowe, stanowią złoty standard w praktyce klinicznej. Jednak ich stosowanie jest ograniczone, ponieważ mają wady, takie jak odrzucenie immunologiczne, możliwość infekcji i niedobór dawców, zwłaszcza po szerokim rozpowszechnieniu operacji laserowych. Chociaż wykazano, że materiały syntetyczne osiągają infiltrację komórek i regenerację nerwów, dane przedkliniczne pokazują, że takie materiały są pozytywne dla barwienia aktyną mięśni gładkich, co wskazuje na aktywację miofibroblastów i możliwość powstawania blizn. NFB opracowuje rusztowania i podejścia bez rusztowań do regeneracji rogówki.

Regeneracyjne funkcjonalne konstrukty neuronowe

Leczenie urazów nerwów obwodowych i urazów rdzenia kręgowego jest kolejnym ważnym celem klinicznym dla NFB. Układ nerwów obwodowych ma wrodzoną zdolność do samoregeneracji i robi to naturalnie w przypadku małych uszkodzeń nerwów (<5 mm długości). Leczenie uszkodzeń nerwów obwodowych, które są większe niż ta stosunkowo krótka przerwa nerwowa, wymaga interwencji mikrochirurgicznej. Duże luki wymagają użycia nerwu donarowego (autoprzeszczepu) lub konstruktów regeneracyjnych do naprawy. Obecne klinicznie dostępne konstrukty (wydrążone przewody prowadzące nerwy) nie są w stanie odpowiednio naprawić tych urazów. Badania w NFB koncentrują się na opracowywaniu nowych strategii naprawy uszkodzeń nerwów obwodowych przy użyciu kombinacji biomateriałów i metodologii inżynierii tkankowej.

Regeneracja ośrodkowego układu nerwowego jest znacznie słabsza niż obwodowego układu nerwowego i nie wykazuje takiej samej zdolności do samoregeneracji. Wynika to przede wszystkim z wielopłaszczyznowego charakteru uszkodzenia rdzenia kręgowego. Wieloaspektowy charakter urazów rdzenia kręgowego stanowi jednak poważne wyzwanie dla rozwoju terapii, ponieważ pierwotny uraz mechaniczny rdzenia indukuje wtórne uszkodzenie składające się ze złożonej kaskady zdarzeń molekularnych, które prowadzą do utraty przewodzącej osłonki mielinowej (zwyrodnienie mieliny) i tworzenie hamującej blizny glejowej.

Przeszczep przeszczepów nerwów obwodowych i / lub wprowadzenie różnych typów komórek spowodowało regenerację aksonów z ograniczoną poprawą funkcjonalną po urazie rdzenia kręgowego w modelach zwierzęcych, podczas gdy wykazano, że konstrukty strukturalne wspomagają i kierują wzrostem neurytów. Terapie molekularne, które albo promują regenerację, takie jak podawanie czynników neurotroficznych (NGF, NT-3, GDNF), albo ukierunkowane na szkodliwe hamowanie regeneracji, takie jak chondroitynaza ABC, również przyniosły korzystne wyniki.

Pomimo znacznych postępów w laboratorium, ograniczone wykazanie poprawy funkcjonalnej w modelach in vivo uniemożliwiło do tej pory terapie regeneracyjne, które trafiły do ​​kliniki. W celu opracowania opłacalnego leczenia do zastosowań klinicznych, obecne prace w NFB łączą pozytywne aspekty różnych podejść terapeutycznych.

Systemy dostarczania leków do leczenia bólu

Częstość występowania bólu przewlekłego w Irlandii szacuje się na 13% całej populacji. Ból wpływa negatywnie na jakość życia i zdolność do wykonywania codziennych czynności, z konsekwencjami ekonomicznymi poprzez utratę czasu wolnego od pracy. Interwencja terapeutyczna przy użyciu dostępnych środków farmaceutycznych pozwala osiągnąć zadowalającą ulgę w bólu u mniej niż 50% pacjentów z przewlekłym bólem. Istnieje potrzeba opracowania nowych metod leczenia bólu i zbadania potencjału nowych dostarczania leków w celu poprawy skuteczności obecnie dostępnych leków. Właściwe zaprojektowanie systemów dostarczania leków może zmniejszyć niekorzystne profile skutków ubocznych, zmniejszyć degradację i utratę leku, zwiększyć biodostępność i ukierunkować terapię na miejsce zainteresowania. Bieżące badania w NFB obejmują rozwój platform dostarczania leków, które ułatwiają kierowanie terapii przeciwbólowych do obwodowych miejsc działania.

Choroba neurodegeneracyjna

Choroba Parkinsona występuje w różnych postaciach i ma w dużej mierze nieznaną etiologię. Jednak choroba ta charakteryzuje się utratą neuronów dopaminergicznych w zwojach podstawy mózgu, co prowadzi do znanych objawów, takich jak drżenie spoczynkowe, spowolnienie ruchowe (spowolnienie ruchu) i sztywność. Obecne terapie, choć bardzo skuteczne w leczeniu objawów, nie powstrzymują utraty neuronów dopaminergicznych. Badania w NFB mają na celu wykorzystanie polimerowych systemów terapii genowej do zatrzymania postępu utraty neuronów poprzez neuroprotekcyjne drogi.

że stwardnienie rozsiane (SM), przewlekła choroba demielinizacyjna, jest inicjowana przez patogenne limfocyty T, które przemieszczają się przez śródbłonek naczyń i dostają się do mózgu przez naczyniowe i miąższowe błony podstawne. Chociaż stwardnienie rozsiane jest uważane za chorobę istoty białej, częstość występowania demielinizacji i uszkodzenia aksonów jest również widoczna w istocie szarej. Obecne modele stosowane w tych badaniach nie odzwierciedlają odpowiednio przewlekłych zmian w istocie szarej kory mózgowej występujących u osób cierpiących na stwardnienie rozsiane. NFB koncentruje się na opracowaniu przewlekłego systemu modelowego przy użyciu funkcjonalizowanego podejścia do biomateriałów.

Strategie regeneracyjne w leczeniu układu sercowo-naczyniowego

Badania przedkliniczne i wstępne dane pochodzące z badań klinicznych wskazują na możliwość zastosowania terapii genowej lub terapii komórkami macierzystymi w zastosowaniach sercowo-naczyniowych. W NFB celem jest połączenie terapii genowej lub komórkami macierzystymi z systemami dostarczania biomateriałów w celu zwiększenia skuteczności i poprawy kontroli. Celami klinicznymi są niedokrwienne uszkodzenia mięśni, pierwsze w samym mięśniu sercowym ( zawał mięśnia sercowego ), a drugi w kończynie dolnej (niedokrwienie kończyny dolnej). Wybór genu w przypadku terapii genowej za pośrednictwem biomateriałów jest również głównym celem NFB, ponieważ nowe metody terapii genowej, takie jak nokaut genów miRNA i siRNA, są opcjami nieprzetestowanymi. Ostatecznym celem grupy sercowo-naczyniowej NFB jest klinicznie istotna regeneracja lub naprawa po urazie niedokrwiennym przy użyciu terapii opartych na biomateriałach.

Przemysł

Podczas gdy podstawowe usługi NFB koncentrują się na akademickich badaniach i rozwoju na Uniwersytecie, wiele prac prowadzonych w NFB ułatwia rozwój współpracy z przemysłem urządzeń medycznych, farmaceutycznym i biotechnologicznym, zarówno w kraju, jak i za granicą. Główne usługi oferowane przez NFB dla przemysłu obejmują: opracowywanie unikalnych technologii platform biomateriałów, dodawanie wartości do istniejących platform, opracowywanie biomateriałów na zamówienie, rozwiązywanie problemów związanych z biomateriałami w urządzeniach medycznych, badania in vitro/in vivo oraz opracowywanie biomateriałów do Dostawa narkotyków. Platformy technologiczne NFB, które są obecnie dostępne do licencjonowania, to:

  1. Porowata konstrukcja tytanowa do zastosowań ortopedycznych
  2. Wielokanałowy przewód nerwowy na bazie kolagenu
  3. Rusztowanie macierzy zewnątrzkomórkowej do zamykania ran
  4. Nanokulki z wydrążonym rdzeniem w szeregu materiałów biodegradowalnych
  5. Systemy polimerowych połączeń na bazie PEG do łączenia biomolekuł i leków
  6. Wstrzykiwany system hydrożelowy na bazie PEG
  7. Inteligentne/responsywne polimery dendrytyczne/hiperrozgałęzione na bazie PEG
  8. Degradowalne pH i redukowalne, niewirusowe wektory transfekcyjne
  9. Wysokiej jakości PLGA i PCL
  10. Technologie arkuszy komórkowych
  11. Różne cząsteczki ECM

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Network_of_Excellence_for_Functional_Biomaterials&oldid=1109194264 ”