A bioactivated nano-layered hydrogel for dermal regeneration in hard-to-heal ulcers

Målet for prosjektet innen material-styrt vevregenarsjon (s.k. tissue engineering) i sårbehandling er å utvikle et materiale som fremmer fullstendig og arr-fri regenerering av vev for å gjenskape en funksjonell ytre barriere (for eksempel slimhinne eller hud). I mennesker representerer slimhinner og hud omtrent en syvendedel av kroppsmassen. Nesten alle traumer, infeksjoner eller kirurgiske prosedyrer innebærer å bryte denne ytre barrieren og produsere et sår. Hos friske personer og under normale forhold regenererer huden og slimhinnen raskt og gjenoppretter vevets integritet med full celledekning. Skulle imidlertid situasjonen bli utfordret av omfattende traumer, forbrenninger, infeksjoner, kronisk betennelse, metabolsk sykdom eller andre sykdomsprosesser, er resultatet et sår som tilheler sakte eller ikke i det hele tatt, ofte med livsforringende eller til og med livstruende, konsekvenser for pasienten. BioNaNOR-prosjektet har ved å samle komplementær material-kompetanse og biologisk ekspertise klart å konstruere en lagdelt, nanostrukturert og fiberforsterket vannholdig gel (s.k. hydrogel) basert på kjemisk modifisert versjon av havproduktet chitosan. Denne lagdelte gelen er fullstendig biologisk nedbrytbar og egner seg fint for innvekst og organisering av hudceller og samtidig har egenskaper som gjør at den egner seg for klinisk bruk. Dette syntetiske hud-analogen vil ha struktur og egenskaper som ligner normal hud og er laget med en innside som vender mot sårflaten, som også kan fungere som deponi for biologiske signaler som tilkaller stamceller fra omkringliggende vev og gir instruksjoner om normal cellemodning og til slutt komplett tildeling. I tillegg er overflateskiktet som vender mot utsiden tilført biologiske molekyler som fremmer migrasjon og vekst av hudens overflateceller, slik at materialet raskt får et dekke av hud. Denne avanserte hydrogelen er nedbrytbar i kroppen og erstattes i løpet av sårtilhelingen av naturlig hud. Under denne prosessen frigjør således materialet sakte de innebygde bioaktive molekylene sammen med chitosanmetabolitter som er kjent for å støtte regenerasjon ved å redusere betennelse og beskytte mot invaderende mikrober. For å ivareta hudens styrke og integritet under klinisk bruk og i tilhelingsfasen har prosjektet også hatt mye fokus på mekanisk stabilitet og materialets evne til å motstå fysiske utfordringer som strekk, kompresjon og væske-flyt. Ved å optimalisere spinneprosessen for chitosanfibre har det lyktes å produsere et fiberforsterket materiale som tilfredsstiller kliniske krav og samtidig ivaretar de biologiske og medisinske egenskapene. Ved å arrangere nano-fibrene i distinkte lag og retninger har materialet blitt utformet med en 3D struktur som etterligner hud og som kan støtte celle-innvekst og regenerasjon av hud og slimhinner. Den fysiske styrken på de nye fibrene er tre ganger høyere enn tidlige kjente chitosan-baserte og gir den nye materialet en styrke og strekkfasthet som er nødvendige for enkel klinisk applikasjon.

The BioNaNOR material design could constitute a paradigm shift in wound care. Given successful animal and clinical trials, the material could be the first synthetic tissue nano-engineering material for wound care that have an architecture, biochemical composition and biomechanical strength that mimic natural skin and at the same time be both clinically and industrally applicable. If the material meet the clinical requirement, it will be a big step towards an optimized guided regeneration of skin and mucosa in hard-to-heal ulcers, burns and trauma. Also, the new, advanced, biomimicking material design demonstrated here include principles for designing layered, reinforced nano-level organized hydro-gels for other biomedical applications for tissue regeneration where tissue architecture and/or strength and volume stability and loadability are important features. Thirdly, the non-reinforced layered design of the gel makes its suitable for use as laboratory model(s) for large screening for new wound-care drugs and to study in 4D the invasion, migration and maturation of cells during regeneration of tissues. This could contribute significantly contribute to new discoveries in regenerative medicine and reduce the need for animal experiments and early clinical trials. Last, the new methodology developed in the project, producing significantly stronger fibers from marine chitosan and being able to orient the fibers in 3D, may open new green and sustainable possibilities for other applications in regenerative medicine, food and drug preservation and water treatment to mention some. The natural origin of the material and the complete bio-resorbability combined with the increased strength makes the fibers interesting for designing and producing sustainable plastic-analogues that could contribute to reduce the environmental impact of human medical and industrial activities.

Several strategies have been developed to restore dermal function. These include collagen membranes, decellularized dermis from donors or synthetic graft alternatives. So far, these approaches have been unreliable at best and auto-grafts and transplants (that both create their own problems with donor site morbidity, risk for disease transfer and infections and graft rejection) remain the only predictable method for treating hard-to-heal ulcers today. The major reasons for the failures of these approaches are most probably lack of physical strength combined with poor integration with the subjacent tissues and lack of biological signals that can home in precursor cells (e.g. stem cells and fibroblasts) from surrounding healthy tissues, and finally, the lack of biological signals for epidermis formation. The BioNaNOR project aims at using a dermis-matrix-mimicking hydrogel based on nano-layered and chemically modified chitosan. This artificial dermis analogue will be designed with one “deeper” part that provide biological signals for homing and differentiation of mesoderm derived stem cells, and one “superficial” part that includes molecules that stimulate epithelial cell growth and migration. The nano-layered chitosan matrix is bio-degradable and is ultimately replaced by natural dermal tissue that is later covered by epidermis. During this process, the material slowly releases the embedded bioactive molecules together with chitosan metabolites that are known to favour healing by reducing inflammation and supressing bacterial growth. Moreover, as treatment for hard-to-heal “Full-thickness” ulcers also requires a material that immediately restores and maintain the barrier function and provide tissue strength, stability and elasticity during healing, the BioNaNOR approach include an ultra-strong, nano-layered material that interacts well with the underlaying stratum and restore the tissue barrier until the healing tissues have restored their normal function.