Au cours des dernières décennies, les spécialistes des matériaux et les chimistes ont travaillé à la conception de matériaux de plus en plus sophistiqués destinés à un large éventail d’applications technologiques et scientifiques. Ces matériaux comprennent des polymères synthétiques et des hydrogels qui pourraient être introduits à l'intérieur du corps humain dans le cadre d'interventions médicales.
Des chercheurs de l'Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde, de la Technische Universität Dresden et d'autres instituts allemands ont récemment conçu de nouveaux matériaux entièrement synthétiques dotés d'une matrice dynamique réticulée par l'ADN qui pourraient s'avérer utiles pour la création d'organoïdes (organes artificiels) et d'autres systèmes biomimétiques. . Ces matériaux, introduits dans Nature Nanotechnology , sont polyvalents, programmables et relativement peu coûteux, ce qui les rend avantageux pour la recherche médicale et biologique.
"La chimie des polymères peut créer des matériaux dotés de propriétés merveilleuses", a déclaré à Phys.org Elisha Krieg, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude. "Pensez aux produits du quotidien comme les jouets et les emballages, mais aussi aux gilets pare-balles, aux parachutes, aux implants médicaux, etc. Mais ces matériaux sont très statiques :il n'est pas facile de modifier leurs propriétés, une fois brisés, ils ne peuvent pas se guérir, et leurs caractéristiques sont difficiles à prévoir. Notre groupe essaie de créer des matériaux qui s'apparentent davantage à de la matière vivante :adaptatifs, auto-réparateurs et programmés pour remplir des fonctions spécifiques. "
Le domaine de la nanotechnologie de l'ADN, créé pour la première fois par Ned Seeman, se concentre sur la conception et la fabrication de structures d'ADN artificielles ayant de possibles applications biomédicales et biophysiques. Des études antérieures sur la nanotechnologie de l'ADN ont montré que l'ADN peut être reprogrammé pour contrôler les propriétés de la matière à l'échelle nanométrique.
Les travaux récents de Krieg et de son collègue Yu-Hsuan Peng s'appuient sur des efforts de recherche antérieurs dans ce domaine. Son objectif était de créer une matrice d'hydrogel souple pouvant héberger des cellules vivantes et pouvant ainsi être utilisée pour concevoir des tissus, des organoïdes, des implants médicaux et d'autres systèmes biophysiques.
"Nous espérions qu'en utilisant les principes de la nanotechnologie de l'ADN, nous pourrions contrôler avec précision les propriétés de notre matériau mou pour soutenir de manière optimale les cellules et guider leur développement", a expliqué Krieg. "Notre objectif était de créer un matériau entièrement synthétique, biocompatible et, surtout, dont le comportement mécanique devait être ajustable sans modifier radicalement sa composition chimique. Enfin, il était important pour nous que le matériau soit peu coûteux, car nous espérions qu'il serait appliqué par de nombreux autres groupes à l'avenir. "
Pour créer un matériau polyvalent, synthétique, biocompatible, programmable et abordable, les chercheurs ont fusionné deux composants différents. Les premiers sont des chaînes polymères lourdes biologiquement fonctionnelles.
"Ces chaînes polymères servent d'échafaudage structurel pour le matériau", a déclaré Krieg. "Ils possèdent des chaînes latérales d'ADN qui permettent à d'autres modules basés sur l'ADN de s'intégrer dans le matériau, de réticuler le polymère et de le compléter avec des fonctions spécifiques."
Le deuxième élément du matériel de l’équipe est constitué de modules d’ADN uniques. Ces modules sont branchés sur le matériau pour programmer ses propriétés et caractéristiques, lui permettant ainsi de fonctionner de manière spécifique.
"Une innovation clé a été notre utilisation de 'bibliothèques' basées sur l'ADN - des mélanges complexes de brins d'ADN - qui rendent la réticulation très efficace", a déclaré Krieg. "Les séquences des bibliothèques d'ADN contrôlent également des caractéristiques importantes du matériau, telles que la plasticité et la rigidité à différentes températures."
La matrice dynamique réticulée par l'ADN créée par Krieg et ses collègues, baptisée DyNAtrix, pourrait être utilisée pour cultiver diverses cellules en laboratoire, notamment des cellules souches pluripotentes humaines et des organoïdes. Remarquablement, leur matériau est également auto-réparateur et peut facilement être intégré à la technologie d'impression 3D pour produire une variété de tissus et de structures 3D complexes.
"La culture de cellules dans DyNAtrix peut aider à répondre à des questions en biologie du développement, elle pourrait être utilisée pour cultiver des tissus pour la médecine régénérative ou pour tester l'effet de médicaments candidats spécifiques avec des cellules dérivées de patients. J'espère que tester des médicaments in vitro Le système de culture cellulaire remplacera un jour entièrement les tests sur les animaux."
Le nouveau matériau introduit par cette équipe de chercheurs a le potentiel de faire bientôt progresser la recherche biomécanique, biophysique et biomédicale. DyNAtrix est entièrement synthétique, programmable, facile à reproduire à grande échelle et peut être ajusté avec une grande précision. Il pourrait également être plus facile à utiliser en milieu clinique que les matériaux d'origine animale, tels que le Matrigel (c'est-à-dire une matrice extraite de cellules tumorales de souris qui est souvent utilisée pour cultiver des cellules en laboratoire).
Dans leurs prochaines études, Krieg, Peng et leurs collègues prévoient d'examiner plus en détail les applications pratiques de leur matrice. Par exemple, ils commenceront à collaborer avec des biologistes cellulaires, les aidant à utiliser DyNAtrix pour résoudre des problèmes de recherche spécifiques.
« Les propriétés mécaniques ajustables de DyNAtrix le rendent particulièrement intéressant pour répondre à des questions dans le domaine de la mécanobiologie, telles que :comment les caractéristiques mécaniques (rigidité, viscosité, plasticité) affectent-elles le développement des cellules ? Quelle importance ces effets ont-ils dans un organisme vivant ? ? Quelle importance ont-ils dans des maladies comme le cancer ? Et comment exactement l'environnement mécanique stimule-t-il une réponse dans les tissus vivants ? Krieg a ajouté.
"Les travaux dans notre laboratoire se concentrent actuellement sur l'extension des capacités de DyNAtrix. Par exemple, en branchant des capteurs de force fluorescents, nous espérons que les interactions mécaniques entre les cellules et leur environnement pourront être quantifiées au microscope."
La matrice DyNAtrix en est encore à ses premiers stades de développement, car elle nécessite encore que les chercheurs ajoutent manuellement des modules d'ADN pour induire des modifications dans les propriétés d'un matériau. À l'avenir, l'équipe espère améliorer encore sa composition et ses performances, par exemple en utilisant des réseaux de réactions basés sur l'ADN plus sophistiqués qui lui permettraient de répondre de manière autonome au comportement des cellules.
Plus d'informations : Y.-H. Peng et al, Matrices dynamiques avec viscoélasticité codée par ADN pour la culture cellulaire et organoïde, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01483-3.
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
© 2023 Réseau Science X
