Immunologicznie neutralne materiały 2D w zastosowaniach biomedycznych
Unikalne właściwości strukturalne i funkcjonalne materiałów dwuwymiarowych (2D) czynią z nich potężne narzędzia do zastosowania w badaniach biomedycznych. Zwykle mają strukturę cienkich warstw, cechujących się niespotykanie dużą powierzchnią, wysoką przewodnością elektryczną, wytrzymałością mechaniczną i dającymi się łatwo dostosowywać właściwościami chemicznymi. Co więcej, materiały te są biokompatybilne i zdolne do wchodzenia w interakcje z biologicznymi cząsteczkami i komórkami. Wszystkie te właściwości sprawiają, że materiały 2D są bardzo wszechstronne, w związku z czym można je przystosować do szeregu zastosowań związanych ze zdrowiem – od dostarczania leków celowanych i bioczujników po inżynierię tkankową i medycynę regeneracyjną.
Wpływ MXenów na układ odpornościowy
Realizowany dzięki wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie” projekt SEE poświęcony był MXenom – dwuwymiarowym strukturom składającym się z węgla i metali przejściowych, wykazującym niezwykły potencjał biomedyczny. MXeny są w stanie modulować układ odpornościowy lub wchodzić z jego komórkami w interakcje, w zależności od zastosowania. Oznacza to, że mogą być wykorzystywane do promowania aktywacji korzystnej dla organizmu odpowiedzi immunologicznej, na przykład w procesie gojenia się ran, w przypadku którego komórki odpornościowe odgrywają istotną rolę w naprawie tkanek. Z kolei w sytuacji przeciwnej – gdy dany przypadek wymaga wyciszenia odpowiedzi układu odpornościowego – MXeny mogą pomóc w złagodzeniu stanu zapalnego. Ta możliwość dwojakiego działania MXenów budzi jednak obawy dotyczące szkodliwych reakcji zapalnych bądź innych niekorzystnych skutków po stronie układu odpornościowego. „Zamierzaliśmy zbadać, w jaki sposób MXeny oddziałują z komórkami odpornościowymi i komórkami skóry, aby zaprojektować bezpieczne materiały na potrzeby użytku klinicznego”, wyjaśnia Lucia Gemma Delogu, kierowniczka projektu.
Zaawansowane techniki oceny bezpieczeństwa MXenów
W projekcie SEE wykorzystano szereg zaawansowanych technik umożliwiających dokładną analizę interakcji z MXenami. Badania ex vivo i in vivo z wykorzystaniem komórek pierwotnej odpowiedzi immunologicznej i modeli ludzkiej skóry dostarczyły istotnych danych na temat cytotoksyczności, aktywacji komórek odpornościowych i uwalniania cytokin. Aby uzyskać precyzyjne wyniki o wysokiej rozdzielczości, w projekcie zastosowano cytometrię masową – CyTOF – na poziomie pojedynczej komórki, która to metoda do analizy wielu markerów komórkowych i profilowania komórek układu odpornościowego wykorzystuje przeciwciała znakowane izotopami metali. Naukowcy połączyli technikę CyTOF z obrazowaniem wiązką jonów w technologii czasu przelotu (ang. ion-beam imaging by time of flight, MIBI-TOF), aby umożliwić wizualizację MXenów w tkankach, jak również ustalenie ich dystrybucji oraz interakcji komórkowych. Dzięki pionierskiemu wykorzystaniu CyTOF i MIBI-TOF w ramach metody niewymagającej znakowania o nazwie LINKED zespół projektu SEE ustanowił nowy standard dla wysokoprzepustowej analizy pojedynczych komórek i oceny biokompatybilności materiałów 2D. Podejście to pozwoliło uczonym na zbadanie interakcji MXenów w różnych typach komórek i tkanek, oferując unikalny wgląd w możliwości zastosowania MXenów w warunkach klinicznych. Główną zaletą MXenów okazała się ich biokompatybilność podczas stosowania na skórę, w przypadku którego przyspieszały gojenie się ran bez wpływu na żywotność ludzkich keratynocytów naskórka. Ten brak cytotoksyczności ma podstawowe znaczenie dla zachowania zdrowia skóry podczas stosowania wyrobów kosmetycznych i biomedycznych.
Znaczenie strategii i przyszłe kierunki działania
„Wnioski z badań przeprowadzonych dzięki metodzie LINKED nie tylko wzbogacają naszą wiedzę na temat wykorzystania MXenów w biomedycynie, ale także torują drogę dla projektowania materiałów 2D o dających się dostosowywać właściwościach immunologicznych”, podkreśla Delogu. Projekt wzbudził zainteresowanie wśród partnerów przemysłowych, a wstępne dane na temat bezpieczeństwa MXenów umożliwiły tymczasowe zgłoszenie patentowe, stanowiące istotny krok w kierunku komercjalizacji. Co ważne, multipleksowana technika LINKED może być wykorzystywana w badaniach biomedycznych na potrzeby wykrywania innych materiałów 2D, a oprócz opieki zdrowotnej sprawdzi się również w innych dziedzinach, takich jak kataliza, magazynowanie energii czy sztuczna inteligencja.
Słowa kluczowe
SEE, MXeny, materiały 2D, CyTOF, komórki odpornościowe, MIBI-TOF, komórki skóry