Großer Durchbruch in der regenerativen Medizin! Ein Superhydrogel, das menschliche Organe reparieren kann, wird erfunden

Wenn menschliche Organe eines Tages wie Autoteile repariert werden können, können wir dann das endgültige Schicksal von Krankheit, Alterung und sogar Tod besiegen?

Kürzlich hat das Team um Professor Luc Mongeau und Professor Li Jianyu von der McGill University ein neues injizierbares Hydrogel zur Organreparatur entwickelt, das PDN (Porous Double Networks) genannt wird, weil es poröse Doppelnetzwerke enthält. Nach der Injektion in den Körper bildet das PDN-Hydrogel eine stabile poröse Struktur, auf der lebende Zellen wachsen und so beschädigte Organe beim Menschen reparieren können.

Die mechanische kinetische Energie menschlicher Organe stellt eine enorme Herausforderung für die regenerative Medizin und Implantate dar. Ein extremes Beispiel hierfür sind die Stimmbänder, das wohl mechanisch leistungsstärkste Organ im menschlichen Körper. Derzeit benötigen Patienten mit Stimmbandverletzungen wiederholte Hydrogel-Injektionen, da vorhandene Hydrogel-Implantate dazu neigen, unter dynamischer Belastung zu brechen. Dasselbe gilt für ein schlagendes Herz.

Um die Robustheit dieses neuen Hydrogels zu überprüfen, unterzog das Team der McGill University es einer strengen „ultimativen Herausforderung“. Überraschenderweise blieb das PDN-Hydrogel nach mehr als 6 Millionen Vibrationen mit einer Geschwindigkeit von 120 Mal pro Sekunde intakt, während ähnliche Produkte durch den Druck in Stücke gerissen worden wären. Mittlerweile können PDN-Hydrogele das Zellüberleben in organgroßen Gerüsten mit Abmessungen von über 60 mm unterstützen, was dem bislang in der Literatur berichteten Höchstwert entspricht.

Das PDN-Hydrogel „kombiniert modernste Erkenntnisse aus Chemie, Physik, Biologie und Ingenieurwesen, um schwere Verletzungen an Herz, Muskeln und Stimmbändern zu reparieren und stellt einen großen Fortschritt in der regenerativen Medizin dar“, hieß es in einer Pressemitteilung der McGill University. Der zugehörige Artikel mit dem Titel „Injizierbare, porenbildende, perfusierbare Doppelnetzwerk-Hydrogele, die extremen biomechanischen Stimulationen standhalten“ wurde am 22. November in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.

Um die Prinzipien dieses Bio-Hydrogels und die Geschichte dahinter besser zu verstehen, interviewte Academic Headlines English einen der Autoren des Artikels, Guangyu Bao, einen Doktoranden des Maschinenbaus an der McGill University. Im Jahr 2020 veröffentlichte Bao Guangyu als Erstautor einen Artikel mit dem Titel „Triggered micropore-forming bioprinting of porous viscoelastic hydrogels“ in der Zeitschrift „Materials Horizons“ der Royal Society of Chemistry, in dem er die stark vernetzten porösen Hydrogele mit zellgroßen Poren beschreibt, die mithilfe der Bioprinting-Technologie hergestellt wurden. Auf dem Weg der Forschung und Entwicklung zur „Reparatur“ menschlicher Organe haben Bao Guangyu und andere Wissenschaftler im Team von Professor Li Jianyu ständig Fortschritte gemacht.

Schematische Darstellung des PDN-Hydrogels | Quelle: McGill University

Fragen und Antworten zum Interview

Akademische Schlagzeilen: Hydrogele waren schon immer ein heißes Thema in der regenerativen Medizin. Was ist der Hauptunterschied zwischen diesem Hydrogel und anderen ähnlichen Produkten?

Bao Guangyu: Menschliches Gewebe benötigt Blutzirkulation und mechanische Belastbarkeit, um zu funktionieren. Hydrogele sind Netzwerke aus Polymerketten, die große Mengen Wasser enthalten. Sie werden häufig als injizierbare Implantate zur Reparatur verletzten Gewebes verwendet. Allerdings haben bestehende injizierbare Hydrogele sehr kleine Poren (etwa 10 Nanometer) und es mangelt ihnen an Zähigkeit und Festigkeit (wie Gelee und Tofu). Sie eignen sich nicht zur Herstellung organgroßer Implantate und können in der dynamischen Umgebung mechanisch aktiver Gewebe wie Herz, Muskeln und Stimmbänder nicht überleben.

Das von uns erfundene Hydrogel ist injizierbar und zellfreundlich. Sie unterscheiden sich von anderen Hydrogelen sowohl in der Porengröße als auch in der mechanischen Belastbarkeit. Die Porengröße unseres Hydrogels ist etwa 1.000-mal größer als die von Standard-Hydrogelen. Die mechanische Belastbarkeit ist 5 bis 40 Mal höher als bei Standard-Hydrogelen. Sie können den extremsten mechanischen Belastungen in der stimmbandähnlichen Umgebung standhalten, ohne zu reißen, und unterstützen gleichzeitig das Zellwachstum und verbessern die therapeutischen Ergebnisse nach der Implantation. Zum ersten Mal haben wir Injektionsfähigkeit, Zytokompatibilität, Porosität und Zähigkeit in einem einzigen Hydrogelsystem vereint.

Academic Headlines: In welchen Bereichen wird dieses Hydrogel Ihrer Meinung nach bedeutende Anwendung finden? Und vor allem: Was hat Ihr Interesse an der Entwicklung von Hydrogelen geweckt?

Bao Guangyu: Ich glaube, dass unser Hydrogel bei der Reparatur von Weichteilen mit mechanischer Aktivität hilfreich sein wird. Sie haben eine längere Lebensdauer und bieten möglicherweise bessere therapeutische Wirkungen. Das Hydrogel könnte auch zur wissenschaftlichen Forschung beitragen, beispielsweise zur 3D-Zellkultur in mikrofluidischen Geräten (siehe Hinweis). Im Gegensatz zu anderen Hydrogelsystemen können unsere Hydrogele in mikrofluidische Geräte injiziert werden, ohne die (Flüssigkeits-)Kanäle zu verstopfen.

Tatsächlich wurde dieses Hydrogel entwickelt, um ein Problem in unserem Labor zu lösen. Seit fast einem Jahrzehnt entwickelt unser Labor Biomaterialien zur Stimmbandreparatur. Wir haben eine Maschine namens „Vocal Cord Bioreactor“ erfunden, die die mechanische Umgebung der hochfrequenten Vibrationen der menschlichen Stimmbänder beim Sprechen nachahmt. Wir haben viele vorhandene Hydrogele in Bioreaktoren getestet. Sie verstopften entweder das Gerät und verhinderten so den Durchgang des Zellkulturmediums oder zerbrachen einfach in Stücke, nachdem sie mechanisch vibriert worden waren. Da wurde uns klar, dass wir zur Lösung dieses Problems ein poröses und robustes Hydrogel brauchten, was die Möglichkeit für diese Forschung bot.

Academic Headlines: Was begeistert Sie an der wissenschaftlichen Forschung und Entwicklung?

Bao Guangyu: Meine Leidenschaft für Forschung und Entwicklung besteht darin, mein Wissen in Materialwissenschaft, Mechanik, Chemie und Biologie zu nutzen, um technische Lösungen auf bestehende Probleme im Gesundheitswesen anzuwenden. Ich habe das Glück, zwei sehr sachkundige und unterstützende Mentoren zu haben, Professor Luc Mongeau und Professor Jianyu Li. Sie ermutigen uns stets, uns auf die größten Herausforderungen der Welt zu konzentrieren und geben uns die Freiheit, unsere eigenen Forschungsrichtungen zu erkunden. Meine Kollegen arbeiten kooperativ, fleißig und konzentriert. Wir ergänzen uns gegenseitig und lieben es, gemeinsam Brainstorming zu betreiben. Ich liebe die freundliche und dynamische Umgebung unseres Labors.

Experimenteller Vergleich von PDN-Hydrogel und Standard-Hydrogel | Quelle: McGill University

Für Bao Guangyu’s Mentor, Professor Li Jianyu, ist das PDN-Hydrogel der neuste Beitrag seines Teams auf dem Gebiet der Biomaterialinnovation. Im Jahr 2019 wurde Li Jianyu für seine zahlreichen Erfolge im Bereich Biomaterialien mit dem chinesischen Preis „35 Innovators Under 35“ des MIT Technology Review 2019 ausgezeichnet. Er war damals erst 31 Jahre alt.

In einem Interview mit MIT Technology Review erwähnte Li Jianyu, dass er hoffe, mehr biomimetische Biomaterialien verwenden zu können, die nicht nur in ihren chemischen Eigenschaften dem menschlichen Gewebe ähneln, sondern auch in ihren mechanischen Eigenschaften und ihrer biologischen Aktivität gesundem menschlichen Gewebe nahekommen. Er beschrieb das neue Biomaterial als „geleeartig“, mit einem Wassergehalt, der mit dem menschlichen Gewebe vergleichbar ist, und mechanischen Eigenschaften, die denen des menschlichen Gewebes ähneln oder ihnen sogar überlegen sind.

[Anmerkung des Autors]

Mikrofluidik ist eine Technologie, mit der sich Flüssigkeiten im Mikromaßstab, insbesondere Strukturen im Submikrometerbereich, präzise steuern und manipulieren lassen. Sie wird auch Lab-on-a-Chip oder Mikrofluid-Chip-Technologie genannt. Es integriert die grundlegenden Betriebseinheiten der Probenvorbereitung, Reaktion, Trennung, Erkennung usw. in den biologischen, chemischen und medizinischen Analyseprozessen auf einem Chip im Mikronmaßstab, um den gesamten Analyseprozess automatisch abzuschließen.

Quellen:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102627
https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/synthetic-tissue-can-repair-hearts-muscles-and-vocal-cords-335206
https://zhuanlan.zhihu.com/p/103910888

Interviewreporter: Liu Fang

Herausgeber: HS

Layout: Li Xuewei

Akademische Schlagzeilen