Magnetische Nanotechnologie zur sicheren Erwärmung von gefrorenem Gewebe für Transplantationen
Jeden Tag sterben Menschen, die auf eine Organtransplantation warten. Die Zeit drängt, nicht nur für die Wartenden, sondern auch für die Organe selbst, die während des Transports schnell verderben können. Um die Lebensfähigkeit von menschlichem Gewebe zu verlängern, berichten Forscher in den Nano Letters von ACS über ihre Bemühungen, das vollständige Einfrieren von potenziell lebensrettenden Organen zu erleichtern, anstatt sie erst zu kühlen und dann aufzutauen. Sie demonstrieren die erfolgreiche Wiedererwärmung von tierischem Gewebe durch ein magnetisches Nanopartikel.
Nach Angaben des Organ Procurement and Transplantation Network stehen im August 2024 mehr als 114.000 Menschen auf der nationalen Warteliste für Transplantationen in den USA, und jährlich werden etwa 6.000 Menschen sterben, bevor sie eine Organtransplantation erhalten. Ein Grund dafür ist der Verlust von Organen in der Kühllagerung während des Transports, wenn Verzögerungen dazu führen, dass sie vorzeitig warm werden. Es wurden Methoden entwickelt, um Organe für eine längerfristige Lagerung schnell einzufrieren, ohne dabei Schäden durch die Bildung von Eiskristallen zu riskieren, aber auch beim Erwärmen können sich Eiskristalle bilden. Um dieses Problem zu lösen, haben Yadong Yin und seine Kollegen eine Technik entwickelt, die als Nanowarming bekannt ist und bei der magnetische Nanopartikel und Magnetfelder eingesetzt werden, um gefrorenes Gewebe schnell, gleichmäßig und sicher aufzutauen.
Kürzlich entwickelten Yin und ein Team magnetische Nanopartikel - praktisch winzige Stabmagnete - die, wenn sie magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt werden, Wärme erzeugen. Und diese Wärme ließ tierisches Gewebe, das bei -238 Grad Fahrenheit (-150 Grad Celsius) in einer Lösung aus den Nanopartikeln und einem Kälteschutzmittel gelagert wurde, schnell auftauen. Die Forscher befürchteten jedoch, dass eine ungleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in den Geweben zu einer Überhitzung an den Stellen führen könnte, an denen sich die Partikel ansammeln, was bei höheren Temperaturen zu Gewebeschäden und einer Toxizität des Kälteschutzmittels führen könnte.
Um diese Risiken zu verringern, haben die Forscher ihre Untersuchungen fortgesetzt und an einem zweistufigen Ansatz gearbeitet, mit dem sich die Erwärmungsraten der Nanopartikel besser steuern lassen. Diesen Prozess beschreiben sie in der neuen Nano Letters-Studie:
- Gezüchtete Zellen oder tierisches Gewebe wurden in eine Lösung mit magnetischen Nanopartikeln und einer kryoprotektiven Substanz getaucht und dann mit flüssigem Stickstoff eingefroren.
- In der ersten Phase des Auftauprozesses leitete ein magnetisches Wechselfeld eine rasche Erwärmung des tierischen Gewebes ein.
- Als sich die Proben der Schmelztemperatur des Kryoprotektivums näherten, legten die Forscher ein horizontales statisches Magnetfeld an.
- Das zweite Feld richtete die Nanopartikel neu aus und bremste die Wärmeproduktion effektiv.
Die Erwärmung verlangsamte sich am schnellsten in Bereichen mit mehr Nanopartikeln, was die Bedenken über problematische Hotspots zerstreute. Bei der Anwendung der Methode auf kultivierte menschliche Hautfibroblasten und auf Karotisarterien von Schweinen stellten die Forscher fest, dass die Lebensfähigkeit der Zellen nach dem Wiederaufwärmen innerhalb weniger Minuten hoch blieb, was darauf hindeutet, dass das Auftauen sowohl schnell als auch sicher war. Die Fähigkeit, die Wiedererwärmung von Gewebe genau zu steuern, bringt uns der langfristigen Kryokonservierung von Organen und der Hoffnung auf mehr lebensrettende Transplantationen für Patienten einen Schritt näher, so die Forscher.
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