Uvoľňovanie proteínov z 3D poréznych nosičov na báze kolagénu a celulózy a ich charakterizácia

Protein release from 3D porous collagen and cellulose based scaffolds and their characterization

abstract

Slovak

Obranným orgánom ľudského tela je koža. Chráni nás pred toxínmi a mikróbmi v našom prostredí. Biomateriály prítomné v mieste rany majú významný vplyv na produkciu extracelulárnej matrice kože. Biomateriály založené na proteínoch majú schopnosť napodobňovať extraxtracelulárnu matricu kože a tiež pomáhajú riadiť biomechanické procesy na bunkovej úrovni, ako je migrácia buniek, bunková proliferácia a bunková diferenciácia. Medzi tieto biomateriály patrí aj kolagén a karboxymetylcelulóza, ktoré sa bežne používajú v regeneratívnej medicíne, predovšetkým ako materiály imitujúci medzibunkový priestor. Kolagén je jeden z najviac používaných biopolymérov v tkanivovom inžinierstve pre svoju biokompatibilitu, nízku antigénnosť, biologickú odbúrateľnosť a schopnosť zosieťovania. Karboxymetylcelulóza je vo vode rozpustný aniónový polysacharid, ktorý sa vďaka svojej vysokej absorpcii vody, gélovateniu, biologickej odbúrateľnosti a biokompatibilite používa v širokej škále medicínskych aplikácií. Patria sem lieky, kozmetika, podávanie liekov, regenerácia buniek, a kryty rán aj kvôli svojej vysokej hydrofilite čo podporuje vlhké hojenie. Kombinácia týchto dvoch biomateriálov je vhodná na prípravu nosičov, ktoré́ by sa dali použiť ako alternatívna náhrada kožného tkaniva. Hojenie rán je mnohobunkový proces, ktorého cieľom je obnoviť epitel po poranení. Závisí od komplexnej signálnej siete, ktorá je starostlivo regulovaná rôznymi rastovými faktormi a cytokínmi. Extracelulárna matrica kože obsahuje fibroblastový rastový faktor (FGF2), jeden z najdôležitejších rastových faktorov. FGF2 je rastový faktor, ktorý stimuluje angiogenézu a proliferáciu mezenchymálnych buniek. FGF2 a jeho účinok sa spája s liečbou rôznych rán. Vedecká komunita sa preto zameriava na nájdenie optimálneho biomateriálu na uvoľňovanie FGF2, ktorý by bol vhodný pre hojenie rán a liečbu rôznych poškodení kože. V tejto práci boli metódou lyofilizácie pripravené rôzne jedno- a dvojzložkové kolagénové a karboxymetylcelulózové porézne peny. Na overenie vplyvu sieťovania a prostredia sa niektoré typy nosičov sieťovali pomocou EDC/NHS alebo pripravili v ultračistej vode a v prostredí PBS. Následne sa do nich inkorporoval stabilný FGF2-STAB® a sledovalo sa jeho uvoľňovanie pomocou PAGE-SDS analýzy. Na charakterizáciu všetkých pripravených nosičov sa použili rôzne metódy a analýzy ako napríklad rastrovacia elektrónová mikroskopia pre sledovanie morfológie a porozity a ďalej botnanie, hydrolitická a enzymatická degradácia. Výsledky ukazujú, že v niektorých prípadoch pridanie karboxymetylcelulózy podporovalo stabilitu kolagénových nosičov. Zosieťovanie spôsobilo rôzne rýchlosti uvoľňovania v porovnaní s nezosieťovanými penami, zatiaľ čo rôzne prostredia prípravy nehrali v procese uvoľňovania žiadnu úlohu.

The defense organ of the human body is the skin. It protects us from toxins and microbes in our environment. Biomaterials present at the wound site have a significant impact on the production of the skin's extracellular matrix. Protein-based biomaterials have the ability to mimic the extracellular matrix of the skin and also help control biomechanical processes at the cellular level, such as cell migration, cell proliferation, and cell differentiation. These biomaterials also include collagen and carboxymethylcellulose, which are commonly used in regenerative medicine, primarily as materials imitating the intercellular space. Collagen is one of the most widely used biopolymers in tissue engineering due to its biocompatibility, low antigenicity, biodegradability and cross-linking ability. Carboxymethylcellulose is a water-soluble anionic polysaccharide that is used in a wide range of medical applications due to its high water absorption, gelation, biodegradability and biocompatibility. These include medicines, cosmetics, drug delivery, cell regeneration, and wound dressings, also due to their high hydrophilicity, which promotes moist healing. The combination of these two biomaterials is suitable for the preparation of scaffolds that could be used as an alternative substitute for skin tissue. Wound healing is a multicellular process aimed at restoring the epithelium after injury. It depends on a complex signaling network that is carefully regulated by various growth factors and cytokines. The extracellular matrix of the skin contains fibroblast growth factor (FGF2), one of the most important growth factors. FGF2 is a growth factor that stimulates angiogenesis and proliferation of mesenchymal cells. FGF2 and its effect are associated with the treatment of various wounds. The scientific community is therefore focused on finding an optimal FGF2-releasing biomaterial that would be suitable for wound healing and the treatment of various skin damages. In this work, various one- and two-component collagen and carboxymethylcellulose porous foams were prepared by the lyophilization method. To verify the effect of cross-linking and environment, some types of carriers were cross-linked with EDC/NHS or prepared in ultrapure water and PBS medium. Subsequently, stable FGF2-STAB® was incorporated into them and its release was monitored using PAGE-SDS analysis. Various methods and analyzes were used to characterize all the prepared carriers, such as scanning electron microscopy for monitoring morphology and porosity, and further swelling, hydrolytic and enzymatic degradation. The results show that in some cases the addition of carboxymethylcellulose promoted the stability of the collagen carriers. Cross-linking caused different release rates compared to non-cross-linked foams, while different preparation environments played no role in the release process.

Regeneratívna medicína, kolagén, karboxymetylcelulóza, nosič, uvoľňovanie, fibroblastový rastový faktor, PAGE-SDS

Regenerative medicine, collagen, carboxymethylcellulose, scaffold, release, fibroblast growth factor, PAGE-SDS

IZSÁK, D.; KACVINSKÁ, K.; ŽÍDEK, J.; KUTÁLKOVÁ, K.; VOJTOVÁ, L.

13. 9. 2022

České vysoké učení technické v Praze

Praha

978-80-01-07023-9

Biomateriály a jejich povrchy XV.

1.

67

68

92

https://www.irsm.cas.cz/ext/biomaterialy/