Les plaies externes telles que les coupures cutanées ou les écorchures peuvent souvent être facilement recouvertes d'un simple pansement ou d'un pansement plus large pour les protéger et faciliter leur cicatrisation. En ce qui concerne certaines surfaces internes comme celles de l'intestin qui sont recouvertes d'une couche de mucus, cependant, de tels matériaux de cicatrisation conventionnels sont inefficaces car le mucus entrave leur fixation ferme et les éloigne rapidement du site de la plaie.

Maintenant, des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une solution à ce problème sous la forme d'hydrogels probiotiques fabriqués à partir de nanofibres mucoadhésives et produits par une bactérie intestinale naturelle modifiée. Les hydrogels peuvent être facilement produits à partir de cultures bactériennes et appliqués sous forme de "gels vivants" auto-régénérants à durée de vie plus longue ou de "gels sans cellules" à durée de vie plus courte sur les surfaces intestinales via des seringues, vaporisateur, et des techniques endoscopiques pour assurer l'étanchéité. L'étude est publiée dans Matériaux avancés .

"Ce nouveau type de matériau vivant d'ingénierie avec sa facilité de production et de stockage, biocompatibilité, et les propriétés mucoadhésives pourraient ouvrir la porte à des stratégies de cicatrisation bioactives à utiliser à l'intérieur de la lumière intestinale humaine, " a déclaré Neel Joshi, qui est membre principal du corps professoral du Wyss Institute et professeur agrégé au SEAS. "Nous pouvons essentiellement programmer la machinerie moléculaire normale productrice de nanofibres non pathogènes E. coli produire des hydrogels qui ont une viscosité ressemblant fortement à celle du mucus, et avec des capacités mucoadhésives intégrées; et leur modularité pourrait nous permettre de les ajuster pour qu'ils correspondent à des sections spécifiques du tractus gastro-intestinal avec leurs compositions et structures de mucus individuelles."

Joshi et d'autres laboratoires ont déjà exploité des souches commensales de E. coli pour sécréter des nanofibres formant des biofilms, et comme fonderies vivantes pour la fabrication de produits pharmaceutiques, produits chimiques raffinés, produits chimiques en bon état, ou des substances qui peuvent aider à l'assainissement de l'environnement en créant la protéine CsgA que les bactéries sécrètent, qui s'auto-assemble en nanofibres curli dans l'environnement extracellulaire. Dans ces applications passées, CsgA a été modifié pour permettre des fonctions enzymatiques ou structurelles supplémentaires, comme la performance d'une réaction chimique requise pour la synthèse d'un médicament ou d'un produit chimique. Cependant, les matériaux à base de nanofibres curli n'ont pas encore été développés pour une utilisation directe en tant que thérapeutique.

« Les biofilms produits naturellement sont connus pour entraver les processus de cicatrisation des plaies jusqu'à un point où ils doivent être activement gérés par les professionnels de la santé. Nous avons essentiellement piraté l'une des machines de base qui les produit dans le but à long terme de faire exactement le contraire. , produire des matériaux qui pourraient favoriser la cicatrisation des plaies dans un environnement inaccessible par d'autres matériaux, " a déclaré la première auteure Anna Duraj-Thatte, qui est stagiaire postdoctoral à la Graduate School of Arts and Sciences dans l'équipe de Joshi.

Pour permettre la formation d'hydrogels extracellulaires, les chercheurs ont programmé une souche non pathogène de la bactérie intestinale E. coli pour synthétiser une variante de la protéine CsgA curli qui est fusionnée au domaine de liaison au mucus à partir de facteurs de trèfle humains (TFF). Les TFF sont co-sécrétés par les cellules productrices de mucus pour protéger l'épithélium muqueux d'une gamme d'agressions, et les aider à réparer les blessures. Une simple étape de filtration permet de séparer proprement l'hydrogel contenant des bactéries vivantes du reste de la culture, tandis que les gels acellulaires nécessitent une étape supplémentaire au cours de laquelle les bactéries sont tuées par un simple traitement chimique. "Nous pensons que la présence des domaines TFF permet aux différentes fibres curli de se réticuler et de former un maillage de stockage d'eau, et a démontré que les propriétés exactes de l'hydrogel dépendent du type de TFF utilisé, " dit Duraj-Cette.

Collaborant avec Jeffrey Karp et l'instructeur de médecine Yuhan Lee au Brigham and Women's Hospital, l'équipe a testé la spécificité de l'adhésion tissulaire en fonction du type de domaines ajoutés dans l'hydrogel. Lorsque les TFF ont été présentés sur les hydrogels, ils n'ont amélioré l'adhérence qu'à la surface muqueuse exposée à la lumière d'un échantillon de tissu de côlon de chèvre. Alternativement, when a domain binding to fibronectin protein—which is not found on the mucosa, but on the outward-facing serosal surface of the colon—the hydrogels instead preferentially stuck to the serosal side of the colon tissue sample.

"Since hydrogels with different TFF domains can be easily sprayed onto tissue surfaces with controllable adhesion and functional activity, we envision their potential use in endoscopic procedures to treat intestinal disorders, like a spray-on bandage, " said Karp, who is a professor of medicine at Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School.

When given orally to mice, the cell-containing live gels could withstand the harsh pH and digestive conditions of the stomach and small intestine to reach the cecum with the bacteria intact. The team also found that hydrogels bearing one particular TFF domain (TFF2) enhanced retention of the material in the colon. "The presence of bacteria in live gels prolonged their residency times in the gut from one day to at least five days due to the bacteria's ability to continuously regenerate the curli fiber networks that are decorated with TFFs, without affecting the health of mice in any obvious way, " said Joshi.

"This is a great example of synthetic biology-based jujutsu in which Joshi's team took a major problem created by bacteria—the biofilms they create that are so difficult to access and remove—and then flipped the problem on its head through genetic engineering so that the biofilm now essentially becomes a healing Band-aid for our gut. It's an amazing example of biologically inspired engineering at its best, " said Wyss Director Donald Ingber, the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as professor of bioengineering at SEAS.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'Université de Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.