Development of novel wound dressing based on elastin-like recombinamers for skin regeneration

Abstract

Tissue engineering is an interdisciplinary field that combines engineering, biology, and medicine to develop innovative solutions for repairing, replacing, or enhancing tissues and organs in the human body. Success in this field depends on developing biomaterials that are biocompatible and functional, effectively interacting with target tissue cells and promoting their regeneration. These biomaterials include three-dimensional scaffolds, biodegradable matrices, and bioactive products that mimic the properties of natural tissues, providing a favorable environment for cell growth and differentiation. Additionally, developing biomaterials specific to different tissue types and clinical applications allows for more effective and personalized treatments, improving patients' quality of life and accelerating their recovery.

Treating chronic wounds presents a significant challenge in healthcare, as these wounds can persist for long periods, affecting patients' quality of life and generating high treatment costs. In response, research has focused on developing biomaterials that facilitate and accelerate the healing process of chronic wounds. Biomaterials for wound dressings must provide an appropriate environment for tissue regeneration, promoting cell migration, proliferation, and extracellular matrix synthesis. These materials must meet several requirements, including offering a temporary protective barrier against external agents, being easy to apply, maintaining the correct moisture level, absorbing exudate, demonstrating good bioadhesion, elasticity, mechanical strength, ease of sterilization, and biodegradability without toxic or antigenic residues. Recombinant proteins are emerging as promising alternatives in regenerative medicine due to their ability to be genetically engineered, allowing precise control over their physicochemical and bioactive characteristics.

Elastin-like recombinamers (ELRs) are the focus of this thesis. They are based on the pentapeptide repeat Val-Pro-Gly-X-Gly, found in natural elastin. The X residue can be any amino acid except L-proline, allowing the modulation of ELRs' physicochemical properties. If the residue contains functional groups, it can be used for further chemical modifications, such as covalently cross-linked hydrogels. The sequence of hydrophobic domains gives ELRs a smart thermo-responsive behavior in aqueous media, defined by the inverse temperature transition (ITT), allowing the economical purification of these materials through heating and cooling cycles, known as the inverse transition cycle (ITC).

This thesis aims to develop new wound dressings for healing wounds using elastin-based scaffolds, such as membranes or hydrogels, incorporating enhanced bioactivities to meet all the requirements of an ideal dressing for skin regeneration. Detailed physicochemical and biological characterization of ELR membranes will be conducted to determine their suitability as dressings for hard-to-heal wounds. Additionally, developing multifunctional elastin-based hydrogels with high selectivity and bioactivity by including laminin sequences that significantly improve keratinocyte adhesion is proposed, benefiting wound healing.

The thesis evaluates the physicochemical properties of ELR membranes, such as surface roughness, wettability, and degradation, crucial for their function and adhesion to the wound, and their influence on cell behavior. The biocompatibility and non-cytotoxicity of the membranes are analyzed using various methods to determine their suitability for tissue engineering applications. The regenerative capacity of these membranes is evaluated with an ex vivo human skin model, demonstrating good re-epithelialization without shrinkage. In vivo studies show that ELR membranes remain stable for at least seven weeks without rejection or foreign body effects, demonstrating their potential in wound regeneration by promoting self-regeneration of the surrounding tissue without the need for stem cells or external growth factors.

La ingeniería de tejidos combina ingeniería, biología y medicina para desarrollar soluciones innovadoras destinadas a la reparación, reemplazo o mejora de tejidos y órganos humanos. El éxito en este campo depende del desarrollo de biomateriales biocompatibles y funcionales que interactúen eficazmente con las células del tejido objetivo y promuevan su regeneración. Estos biomateriales incluyen andamios tridimensionales, matrices biodegradables y productos bioactivos que imitan las propiedades de los tejidos naturales, proporcionando un entorno favorable para el crecimiento y la diferenciación celular. Además, el desarrollo de biomateriales específicos para diferentes tipos de tejidos y aplicaciones clínicas permite tratamientos más efectivos y personalizados, mejorando la calidad de vida de los pacientes y acelerando su recuperación.

El tratamiento de heridas crónicas es un desafío significativo en la atención médica, ya que estas heridas pueden persistir durante largos períodos, afectando la calidad de vida de los pacientes y generando altos costos de tratamiento. En respuesta, la investigación se ha centrado en desarrollar biomateriales que faciliten y aceleren el proceso de curación de heridas crónicas. Los biomateriales para apósitos deben proporcionar un entorno adecuado para la regeneración del tejido, promoviendo la migración celular, la proliferación y la síntesis de la matriz extracelular. Estos materiales deben cumplir con varios requisitos, incluyendo ofrecer una barrera protectora temporal contra agentes externos, ser fáciles de aplicar, mantener el nivel correcto de humedad, absorber el exudado, demostrar buena bioadhesión, elasticidad, resistencia mecánica, facilidad de esterilización y biodegradabilidad sin residuos tóxicos o antigénicos. Las proteínas recombinantes emergen como alternativas prometedoras en la medicina regenerativa debido a su capacidad para ser diseñadas genéticamente, lo que permite un control preciso sobre sus características fisicoquímicas y bioactivas.

Los recombinámeros similares a la elastina (ELRs) se basan en la repetición del pentapéptido Val-Pro-Gly-X-Gly, presente en la elastina natural. El residuo X puede ser cualquier aminoácido, excepto L-prolina, lo que permite modular las propiedades fisicoquímicas de los ELRs. Si el residuo contiene grupos funcionales, puede utilizarse para modificaciones químicas adicionales, como hidrogeles reticulados covalentemente. La secuencia de dominios hidrofóbicos confiere a los ELRs un comportamiento termo-responsivo en medios acuosos, definido por la transición de temperatura inversa (ITT), permitiendo la purificación económica de estos materiales mediante ciclos de calentamiento y enfriamiento, un proceso conocido como ciclo de transición inversa (ITC).

El objetivo de esta tesis es desarrollar nuevos apósitos para la curación de heridas mediante andamios basados en elastina, como membranas o hidrogeles, que incorporen actividades bioactivas mejoradas para cumplir con todos los requisitos de un apósito ideal para la regeneración de la piel. Se llevará a cabo una caracterización fisicoquímica y biológica detallada de las membranas ELR para determinar su idoneidad como apósitos en heridas difíciles de curar. Además, se propone el desarrollo de hidrogeles multifuncionales basados en elastina con alta selectividad y bioactividad mediante la inclusión de secuencias de laminina que mejoran la adhesión de queratinocitos, beneficiando la curación de heridas.

La tesis evalúa las propiedades fisicoquímicas de las membranas ELR, como rugosidad superficial, humectabilidad y degradación, factores cruciales para su función y adhesión a la herida, e influencias en el comportamiento celular. La biocompatibilidad y no citotoxicidad de las membranas se analizan mediante varios métodos para determinar su idoneidad para aplicaciones de ingeniería de tejidos. La capacidad regenerativa de estas membranas se evalúa con un modelo de piel humana ex vivo, demostrando buena reepitelización sin encogimiento. En estudios in vivo, las membranas ELR permanecen estables durante al menos siete semanas sin rechazo o efecto de cuerpo extraño, demostrando su potencial en la regeneración de heridas, promoviendo la autorregeneración del tejido circundante sin necesidad de células madre o factores de crecimiento externos.