Svavelbaserade föreningar som produceras i våra kroppar hjälper bland annat till att bekämpa inflammation och skapa nya blodkärl, men föreningarna är känsliga och bryts lätt ned, vilket gör dem svåra att studera.
Ett team lett av forskare från Penn State har utvecklat en ny metod för att generera dessa föreningar – så kallade polysulfider – inuti celler, och arbetet kan potentiellt leda till framsteg inom sårbehandling och vävnadsreparation.
Forskarna rapporterade sitt arbete i tidskriften Advanced Healthcare Materials.
”Forskare har tidigare kämpat för att leverera svavelarter som är lämpliga för biologiska system, och vi har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt som kan göra det”, säger Urara Hasegawa, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State och en motsvarande författare till studien. ”Vårt arbete erbjuder ett lovande alternativ för kontrollerad leverans av polysulfider för terapeutiska tillämpningar.”
Svavelväte (H2S), den gas som orsakar lukten av ruttna ägg i naturgas och avlopp, produceras också i våra kroppar, där den verkar fungera som en signalförmedlare – den skickar meddelanden till celler och hjälper till att reglera processer i hjärt- och kärlsystemet, nervsystemet och immunsystemet.
Enligt forskarna har dock nya studier visat att H2S kanske inte är den egentliga signalmediatorn. Istället kan det vara polysulfider, som skapas när H2S blandas med enzymer och syre i cellerna, säger forskarna.
Forskarna har inte kunnat bekräfta denna teori, säger Hasegawa, eftersom polysulfidföreningar i sig är instabila och lätt bryts ned.
”Den nuvarande forskningen är ganska begränsad eftersom vi som forskargrupp inte vet hur sulfidföreningar fungerar”, säger Hasegawa och förklarar att oförmågan att åstadkomma en kontrollerad och långvarig frisättning av föreningarna i biologiska system har hindrat utvecklingen av den sulfidbiologiska forskningen. ”Om vi vill kunna bedriva grundforskning är det viktigt med ett leveranssystem, och det är det vi har utvecklat här.”
Forskarna skapade en ny metod för att inducera H2S-oxidationsreaktionen inuti celler genom att använda polymera miceller, som är självmonterade kärnskalstrukturer i nanostorlek.
Dessa kärnskalstrukturer kan tas upp av celler och skydda det som finns inuti – i det här fallet manganporfyrin, ett metallkomplex som kan omvandla H2S till polysulfider.
”Vi skapade en nanostruktur som fungerar som en slags nanokapsel”, säger Hasegawa. ”Nanokapseln kan skydda porfyrinkomplexet från cellmiljön och gör det möjligt för oss att katalysera oxidationen av H2S till polysulfider och att göra det inuti en cell.”
Forskarna testade metoden i endotelceller från mänskliga navelsträngsvener, ett vanligt modellsystem som använder cellerna i navelsträngsvenen. De fann att behandling av celler med kombinationen av en H2S-donatormolekyl och manganporfyrin-polymermiceller inducerade bildandet av endotelcellrör – eller de kapillärliknande strukturer som linjerar blodkärl. Enbart tillsats av H2S-donatormolekylen inducerade endast svag rörbildning.
”I angiogenesprocessen – eller bildandet av nya blodkärl – är det känt att endotelceller omvandlas från en polygonal till en långsträckt form”, säger Hasegawa och påpekar att den vetenskapliga litteraturen också visar att angiogenes kan inducera proliferation och migration av endotelceller. ”Cellerna måste anpassa sig och omformas för att bilda det innersta lagret i blodkärlet som fungerar som en barriär för att hålla kvar blodet i kärlet.”
Resultaten tyder på att omvandlingen av H2S till polysulfider krävs för att stimulera endotelcellernas rörbildning. Att leverera polysulfider som en behandling kan få konsekvenser för behandling av sår och reparation av vävnader, säger forskarna.
”Vi är mycket intresserade av vävnadsteknik eller vävnadsregenerering”, säger Hasegawa. ”Vårt arbete visar att om vi applicerar dessa sulfidarter ser det ut som om vi kan stimulera angiogenesen.”
Hasegawa säger att teamet fortsätter sin forskning för att förstå mekanismerna bakom polysulfidernas bioaktivitet. Framtida arbete kan också innebära att utforska terapeutiska tillämpningar för micellerna.
Ytterligare information: Kemper Young et al, Manganese Porphyrin‐Containing Polymeric Micelles: A Novel Approach for Intracellular Catalytic Formation of Per/Polysulfide Species from a Hydrogen Sulfide Donor, Advanced Healthcare Materials (2023). DOI: 10.1002/adhm.202302429
