Fibrinogen w inżynierii tkankowej – kluczowa rola soli monowalentnych

Dlaczego fibrinogen jest kluczowy w inżynierii tkankowej?

Badanie kohortowe przeprowadzone przez zespół naukowców z Uniwersytetu w Berlinie analizowało proces samoorganizacji fibrinogenu w nanostruktury włókniste pod wpływem różnych soli monowalentnych. Naukowcy badali, jak różne jony wpływają na morfologię i strukturę powstających włókien fibrinogenu, co ma istotne znaczenie dla projektowania biomimetycznych rusztowań tkankowych.

Populację badaną stanowiły próbki fibrinogenu ludzkiego (5 mg/mL) rozpuszczonego w buforze Tris, które następnie poddawano procesowi suszenia w obecności różnych soli monowalentnych, w tym chlorku sodu (NaCl), chlorku potasu (KCl), fosforanu sodu (Na-PO₄) i fosforanu potasu (K-PO₄) w różnych stężeniach (375, 750 i 1125 mM dla chlorków oraz 50, 100 i 150 mM dla fosforanów). Dodatkowo badano wpływ innych soli zawierających polianiony, takich jak siarczan sodu, octan sodu, szczawian sodu i cytrynian sodu. Proces suszenia monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą optycznego czujnika rozpraszania światła oraz wagi, co pozwoliło na śledzenie zmian chropowatości powierzchni (parametr Aq) oraz ubytku masy podczas odparowywania wody.

Jakie wyniki uzyskano w analizie morfologii włókien?

Badanie wykazało, że różne sole monowalentne wywierają odmienny wpływ na morfologię i strukturę powstających nanowłókien fibrinogenu. Najważniejszym odkryciem było ustalenie, że pary jonów kosmotropowych (stabilizujących białka) najskuteczniej indukują powstawanie dobrze zdefiniowanych włókien. Fosforany sodu (Na-PO₄) prowadziły do powstania najgęstszych sieci włóknistych o najmniejszych średnicach włókien (około 228 ± 49 nm), podczas gdy chlorki potasu (KCl) nie indukowały tworzenia włókien, a chlorki sodu (NaCl) tworzyły włókna jedynie lokalnie pod kryształami soli. Badacze zaobserwowali również, że jony sodu (Na⁺) były częściowo zatrzymywane w powstających włóknach nawet po intensywnym płukaniu, podczas gdy jony potasu (K⁺) były całkowicie wymywane, co wskazuje na silniejsze wiązanie jonów sodu z fibrinogenem.

Analiza z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej (SEM) wykazała istotne różnice w morfologii osadów fibrinogenu w zależności od zastosowanej soli. Próbki z Na-PO₄ i K-PO₄ wykazywały jednorodne pokrycie powierzchni włóknami, podczas gdy próbki z NaCl charakteryzowały się dendrytycznymi strukturami z włóknami występującymi głównie pod kryształami soli. Dla KCl nie zaobserwowano formowania włókien, a powierzchnia była jedynie chropowata. Badacze zmierzyli również średnice włókien, które wynosiły 228 ± 49 nm dla Na-PO₄, 233 ± 67 nm dla K-PO₄, 301 ± 76 nm dla PBS i 371 ± 131 nm dla NaCl, co potwierdza, że fosforany sprzyjają tworzeniu cieńszych i bardziej jednolitych włókien.

Jakie mechanizmy kryją molekularne interakcje?

Analiza spektroskopowa FTIR nie wykazała wyraźnej korelacji między zmianami struktury drugorzędowej fibrinogenu a tworzeniem włókien. Zawartość α-helisy była najwyższa dla próbek z fosforanami (Na-PO₄: 22% ± 4%, K-PO₄: 19% ± 1%), które wykazywały najlepszą zdolność do tworzenia włókien, podczas gdy zawartość β-kartek była najwyższa dla próbek z chlorkami (NaCl: 43% ± 4%, KCl: 42% ± 4%), które wykazywały ograniczoną zdolność do tworzenia włókien lub jej brak. To odkrycie podważa wcześniejsze przypuszczenia, że zwiększenie zawartości β-kartek jest niezbędne do samoorganizacji fibrinogenu w włókna.

Przeprowadzone symulacje dynamiki molekularnej wyjaśniły mechanizm molekularny obserwowanych zjawisk. Wykazały one, że jony sodu tworzą silniejsze i trwalsze interakcje z domeną D fibrinogenu, częściowo tracąc swoją otoczkę hydratacyjną, podczas gdy jony potasu wykazują słabsze oddziaływania. Polianiony fosforanowe (HPO₄²⁻) wykazują tendencję do bezpośredniego wiązania się z białkiem, co dodatkowo wzmacnia adsorpcję jonów sodu. Te specyficzne interakcje jon-białko prawdopodobnie wpływają na proces samoorganizacji fibrinogenu podczas suszenia.

Symulacje wykazały również, że jony chlorkowe (Cl⁻) zachowują się jak wysoce dyfuzyjny obłok z bardzo krótkim czasem przebywania w miejscach adsorpcji białka, podczas gdy częściowo protonowane jony fosforanowe tworzą stabilne, bezpośrednie kontakty z powierzchnią białka, częściowo również sparowane z kationami Na⁺. Jony Mg²⁺ natomiast oddziałują prawie wyłącznie w sposób pośredni, nie opuszczając własnej otoczki hydratacyjnej, a nawet gdy to robią, czas przebywania na powierzchni białka jest bardzo krótki.

Czy nowatorska klasyfikacja Hofmeistera zmienia podejście kliniczne?

Badacze zaproponowali nowatorską dwuwymiarową klasyfikację typu Hofmeistera, która może służyć jako przewodnik do optymalizacji procesu tworzenia włóknistych rusztowań fibrinogenowych dla medycyny regeneracyjnej. Klasyfikacja ta uwzględnia zarówno właściwości anionów, jak i kationów, co pozwala przewidzieć morfologię powstających struktur fibrinogenowych. Kombinacja kosmotropowych kationów z kosmotropowymi anionami (np. Na⁺ z HPO₄²⁻) prowadzi do tworzenia gęstych sieci włóknistych, podczas gdy kombinacja chaotropowych kationów z chaotropowymi anionami (np. Mg²⁺ z Cl⁻) daje bardzo gładkie struktury.

Wyniki badania mają istotne implikacje kliniczne, szczególnie w dziedzinie inżynierii tkankowej i leczenia ran. Kontrolowane tworzenie nanowłóknistych struktur fibrinogenowych może prowadzić do opracowania biomimetycznych rusztowań naśladujących naturalną macierz zewnątrzkomórkową, wspierających gojenie ran i regenerację tkanek. Wcześniejsze badania wykazały, że takie sieci 3D-fibrinogenowe charakteryzują się dobrą stabilnością mechaniczną, wspierają współhodowlę fibroblastów i keratynocytów, zapobiegają infiltracji bakterii E. coli oraz zwiększają adhezję płytek krwi przy jednoczesnym minimalizowaniu ich aktywności prokoagulacyjnej.

Zrozumienie, jak specyficzne pary jonowe wpływają na proces samoorganizacji fibrinogenu, umożliwia projektowanie materiałów biomimetycznych o kontrolowanej strukturze molekularnej, nanoarchitekturze i właściwościach wiązania komórek, co otwiera nowe możliwości w medycynie regeneracyjnej, szczególnie w leczeniu trudno gojących się ran i rekonstrukcji tkanek. Autorzy sugerują, że fosforan sodu zapewnia najlepszą kombinację jon/przeciwjon do samoorganizacji włókien fibrinogenu, ponieważ sprzyja wszystkim możliwym interakcjom triady woda-fibrinogen-sól w sposób synergistyczny.

Podsumowanie

Naukowcy z Uniwersytetu w Berlinie przeprowadzili kompleksowe badanie nad wpływem różnych soli monowalentnych na proces samoorganizacji fibrinogenu w nanostruktury włókniste. Wykazano, że fosforany sodu tworzą najgęstsze sieci włókniste o najmniejszych średnicach, podczas gdy chlorki potasu nie indukowały tworzenia włókien. Jony sodu wykazywały silniejsze wiązanie z fibrinogenem niż jony potasu, co potwierdzono w analizach mikroskopowych i symulacjach molekularnych. Badania spektroskopowe FTIR podważyły wcześniejsze teorie o konieczności zwiększenia zawartości β-kartek do samoorganizacji fibrinogenu. Zaproponowano nową dwuwymiarową klasyfikację typu Hofmeistera, uwzględniającą właściwości zarówno anionów, jak i kationów. Wyniki badań mają istotne znaczenie dla inżynierii tkankowej, szczególnie w kontekście tworzenia biomimetycznych rusztowań wspierających gojenie ran i regenerację tkanek.