De nouveaux échafaudages à base de plantes correspondent aux alternatives animales pour l’ingénierie tissulaire

De nouveaux échafaudages à base de plantes correspondent aux alternatives animales pour l’ingénierie tissulaire

Horodatage: 27 décembre 2023 5:51
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28 décembre 2023 (Actualités Nanowerk) L'ingénierie tissulaire cherche à réparer les tissus endommagés en fournissant des échafaudages cellulaires qui soutiennent la régénération. Idéalement, ces échafaudages devraient être des matériaux biocompatibles et biodégradables qui s’intègrent aux tissus environnants. Actuellement, les protéines d’origine animale comme la gélatine servent de matériaux d’échafaudage courants. Cependant, des recherches récentes explorent des alternatives à base de plantes, qui offrent une disponibilité abondante, une durabilité et une personnalisation. Jusqu’à présent, les échafaudages construits à partir de collagène animal se sont montrés efficaces mais se heurtaient à des limites d’approvisionnement. Les biopolymères végétaux apparaissent désormais comme candidats de remplacement mais nécessitent des évaluations de compatibilité. Une étude récente dans Recherche avancée NanoBioMed (“Plant-Derived Zein as an Alternative to Animal-Derived Gelatin for Use as a Tissue Engineering Scaffold”) évalue la protéine zéine de maïs par rapport à la gélatine standard pour les échafaudages de cellules souches humaines. Les résultats démontrent la stabilité de la zéine, ses capacités de support cellulaire et in vivo compatibility – establishing viability as a gelatin substitute. Illustration schématique de l'échafaudage de zéine électrofilée et de son évaluation pour une utilisation comme échafaudage d'ingénierie tissulaire Illustration schématique de l’échafaudage de zéine électrofilée et de son évaluation pour une utilisation comme échafaudage d’ingénierie tissulaire. Les échafaudages Zein ont soutenu la croissance, l’adhésion et l’infiltration des CSM humaines dans l’échafaudage. Des comparaisons ont été effectuées avec des échafaudages en gélatine. Les échafaudages zein ont également pris en charge le maintien de la multipotence du MSC. La biocompatibilité des échafaudages de zéine avec ou sans MSC a également été déterminée dans un modèle sous-cutané. Les résultats démontrent le potentiel de la zéine en tant qu’échafaudage d’ingénierie tissulaire. (© Wiley-VCH Verlag)

Contexte derrière la recherche

Tissue engineering emerged in the 1980s when cell biologists recognized that combining scaffold structures with living cells could repair damaged human tissues. Early research focused on bone and cartilage regeneration. The seminal concept involved seeding an implantable 3D structure with tissue-forming cells, then surgically introducing this construct to stimulate tissue regeneration in vivo. Biocompatible and biodegradable scaffolds provide temporary stability and shape while transplanted or host cells deposit new extracellular matrix, gradually replacing the scaffold. Collagen proteins like gelatin performed well here due to native bioresorbability and innate cell adhesion molecules. However, researchers lacked fine control over animal-sourced scaffold degradation, hampering medical translations. Custom-engineered plant biopolymers now offer tailorable alternatives for tissue engineering scaffolds. Zein protein from corn shows particular promise as its amino acid composition suits enzymatic biodegradation. Compared to gelatin, zein also confers superior scaffold stability as its hydrophobic residues resist hydration swelling – beneficial for maintaining structural integrity. Despite zein’s advantages, very few studies assessed feasibility as a lone scaffold component for tissue engineering. Addressing this gap, Limaye et al. fabricated zein-only fibrous scaffolds using an established electrospinning technique that creates mats mimicking native cellular matrix. Researchers then evaluated zein scaffold performance for human stem cell growth and tissue compatibility relative to standard gelatin controls.

Évaluation de la biostabilité de l'échafaudage Zein

Évaluant initialement la stabilité physique, les tests ont montré que les échafaudages à base de zéine maintenaient leur intégrité structurelle dans le liquide pendant plus de 3 semaines tout en gonflant moins que la gélatine. La perte de protéines des échafaudages sur cette durée était comparable. Ces résultats démontrent que l'électrofilage de la zéine dans des échafaudages fournit des structures stabilisées pour la culture cellulaire, surmontant ainsi l'instabilité antérieure limitant l'adoption de la zéine.

Évaluation des interactions avec les cellules souches

Limaye et al next seeded scaffolds with human mesenchymal stem cells (MSCs) – multipotent progenitors that give rise to skeletal tissues. Over 2 weeks, microscopy revealed MSCs adhered, spread, and proliferated on zein fibers similarly to gelatin controls. Closer inspection found cells expressed key adhesion proteins like focal adhesion kinase and alpha-v-beta-3 integrin when attaching to either scaffold, enabling cell anchorage. Interestingly, cells migrated deeper into 3D zein scaffolds compared to gelatin, showing superior infiltration. This integration with surrounding structure benefits implant integration in intended tissue engineering applications.

Évaluation In vivo Réponse

Le test ultime pour les biomatériaux implique une implantation chirurgicale pour examiner les réactions tissulaires locales. Ici, les chercheurs ont introduit des échafaudages de zéine chargés de cellules souches sous la peau de souris, récupérant les échantillons après 2 et 6 semaines. Semblable à la gélatine, l’histologie a révélé des échafaudages peuplés de cellules recrutées tandis que des signes de croissance des vaisseaux sanguins soutenaient l’intégration. Les échafaudages maintenaient généralement une morphologie fibreuse à mesure que les cellules déposaient une matrice de tissu conjonctif sans aucune indication de rejet immunitaire. Confirmation de la biocompatibilité de la zéine et du potentiel de support cellulaire in vivo, these results boost confidence for medical transition. Importantly, upon extracting stem cells from zein scaffolds after 1 week then inducing lineage specification, cells retained multilineage differentiation capacity – demonstrating zein permits expanding stem cell populations while retaining progenitor potency required for subsequent tissue regeneration.

Réaliser des échafaudages tissulaires à base de plantes

Dans l’ensemble, cette étude positionne de manière unique la zéine comme une alternative d’origine végétale, conçue sur mesure, aux échafaudages de tissus animaux standard. Correspondant au support des cellules souches de la gélatine tout en permettant des structures électrofilées stables, la zéine démontre la biocompatibilité requise pour la médecine régénérative. Ces découvertes ouvrent la voie à des développements ultérieurs, rapprochant la société de la réalisation de matériaux d’échafaudage abondants et durables pour l’ingénierie tissulaire.

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