Neue Materialien könnten die Wundheilung vorantreiben, indem sie natürliche Heilmethoden nutzen
Materialien werden häufig verwendet, um Wunden zu heilen: Kollagenschwämme helfen bei der Behandlung von Verbrennungen und Druckstellen, und gerüstartige Implantate werden zur Knochenreparatur verwendet. Da sich der Prozess der Gewebereparatur jedoch mit der Zeit ändert, entwickeln Wissenschaftler Biomaterialien, die mit dem Gewebe interagieren, während die Heilung stattfindet.
Jetzt haben Dr. Ben Almquist und sein Team am Imperial College London ein neues Molekül entwickelt, das die Art und Weise verändern könnte, wie traditionelle Materialien mit dem Körper arbeiten. Ihre Methode, die als traktionskraftaktivierte Nutzlasten (TrAPs) bekannt ist, ermöglicht es Materialien, mit den natürlichen Reparatursystemen des Körpers zu kommunizieren, um die Heilung voranzutreiben.
Die Forscher sagen, dass die Integration von TrAPs in bestehende medizinische Materialien die Art und Weise, wie Verletzungen behandelt werden, revolutionieren könnte. Dr. Almquist, von Imperial's Department of Bioengineering, sagte: "Unsere Technologie könnte helfen, eine neue Generation von Materialien auf den Markt zu bringen, die aktiv mit Geweben arbeiten, um die Heilung voranzutreiben."
Mobiler Aufruf zum Handeln
Nach einer Verletzung krabbeln" die Zellen durch das kollagene Gerüst" der Wunden, wie Spinnen, die durch Netze navigieren. Während sie sich bewegen, ziehen sie am Gerüst, das versteckte Heilproteine aktiviert, die beginnen, verletztes Gewebe zu reparieren.
Die Forscher entwickelten TrAPs, um diese natürliche Heilmethode nachzubilden. Sie falteten die DNA-Segmente in dreidimensionale Formen, so genannte Aptamere, die sich fest an Proteine binden. Dann befestigten sie einen anpassbaren "Griff", an dem sich Zellen an einem Ende festhalten können, bevor sie das andere Ende an einem Gerüst wie Kollagen befestigten.
Während der Laboruntersuchungen ihrer Technik fanden sie heraus, dass Zellen an den TrAPs zogen, während sie durch die Kollagengerüste krochen. Das Ziehen ließ die TrAPs sich wie Schnürsenkel auflösen, um die Heilproteine zu enthüllen und zu aktivieren. Diese Proteine weisen die heilenden Zellen an, zu wachsen und sich zu vermehren.
Die Forscher fanden auch heraus, dass sie durch die Veränderung des zellulären "Griffs" ändern können, welche Art von Zelle greifen und ziehen kann, so dass sie TrAPs so zuschneiden können, dass sie spezifische therapeutische Proteine freisetzen, basierend darauf, welche Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind. Auf diese Weise produzieren die TrAPs Materialien, die intelligent mit dem richtigen Zelltyp zum richtigen Zeitpunkt der Wundheilung interagieren können.
Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler Heilproteine mit verschiedenen Zelltypen in künstlichen Materialien aktivieren. Die Technik imitiert Heilmethoden aus der Natur. sagte Dr. Almquist: "Die Verwendung von Zellbewegungen zur Aktivierung der Heilung findet sich bei Kreaturen, die vom Meeresschwämmchen bis zum Menschen reichen. Unser Ansatz ahmt sie nach und arbeitet aktiv mit den verschiedenen Zellarten, die im Laufe der Zeit in unser geschädigtes Gewebe gelangen, um die Heilung zu fördern."
Vom Labor zum Menschen
Dieser Ansatz ist an verschiedene Zelltypen anpassbar und kann daher bei einer Vielzahl von Verletzungen wie Knochenbrüchen, Narbengewebe nach Herzinfarkten und beschädigten Nerven eingesetzt werden. Auch bei Patienten, deren Wunden trotz aktueller Eingriffe nicht heilen, wie z.B. diabetische Fußulzera, die die Hauptursache für nicht-traumatische Unterschenkelamputationen sind, sind neue Techniken dringend erforderlich.
TrAPs sind relativ einfach zu erstellen und vollständig künstlich hergestellt, d.h. sie lassen sich leicht in verschiedenen Labors nachbilden und können auf industrielle Mengen skaliert werden. Ihre Anpassungsfähigkeit bedeutet auch, dass sie Wissenschaftlern helfen könnten, neue Methoden für Laboruntersuchungen von Krankheiten, Stammzellen und Gewebeentwicklung zu entwickeln.
Aptamere werden derzeit als Arzneimittel eingesetzt, d.h. sie sind bereits nachweislich sicher und für den klinischen Einsatz optimiert. Da TrAPs die Vorteile von Aptameren nutzen, die derzeit für den Einsatz beim Menschen optimiert sind, können sie möglicherweise einen kürzeren Weg in die Klinik nehmen als Methoden, die vom Nullpunkt aus beginnen.
Dr. Almquist sagt: "Die TrAP-Technologie bietet eine flexible Methode zur Herstellung von Materialien, die aktiv mit der Wunde kommunizieren und wichtige Anweisungen geben, wann und wo sie benötigt werden. Diese Art der intelligenten, dynamischen Heilung ist in jeder Phase des Heilungsprozesses nützlich, hat das Potenzial, die Heilungschancen des Körpers zu erhöhen, und wird bei vielen verschiedenen Arten von Wunden weitreichend eingesetzt. Diese Technologie hat das Potenzial, als Leiter der Wundheilung zu dienen, indem sie verschiedene Zellen im Laufe der Zeit orchestriert, um gemeinsam geschädigtes Gewebe zu heilen."
Originalveröffentlichung
Anna Stejskalová, Nuria Oliva, Frances J. England, Benjamin D. Almquist; "Biologically Inspired, Cell‐Selective Release of Aptamer‐Trapped Growth Factors by Traction Forces"; Advanced Materials; 2019
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