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Sep 24, 2023

Schnelle, kostengünstige und skalierbare Methode zur Konstruktion von Blutgefäßen entwickelt

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Blutgefäße halten uns am Leben. Sie sind die Autobahnen, die sauerstoffreiches Blut und Nährstoffe in alle Ecken unseres Körpers transportieren, unser Gewebe und unsere Organe versorgen und gleichzeitig giftige Abfallprodukte entfernen.

Erkrankungen und Funktionsstörungen der Blutgefäße können zu lebensbedrohlichen Situationen wie Herzinfarkt, Schlaganfall und Aneurysma führen. Das Versagen von Blutgefäßen ist einer der Hauptgründe dafür, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit die Todesursache Nummer eins sind.

Eine Bypass-Operation wird häufig zum Ersatz schwer erkrankter Blutgefäße eingesetzt. In vielen Fällen können nicht lebende Transplantate aus synthetischen Polymeren verwendet werden.

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Allerdings können Blutgefäße mit kleinem Durchmesser – wie die Herzkranzarterie, die das Herz mit Blut versorgt – nicht durch synthetische Gefäße ersetzt werden, da das Blut an ihrer Oberfläche gerinnt und das Transplantat verstopft.

In diesen Fällen wird ein weniger wichtiges Blutgefäß an einer anderen Stelle im Körper entnommen und dazu verwendet, das Blut um das erkrankte Gefäß herumzuleiten und so den Blutfluss zum ausgehungerten Gewebe wiederherzustellen.

Bei Erfolg kann eine Bypass-Operation das Leben eines Patienten um viele weitere gesunde Jahre verlängern.

Eine Bypass-Operation ist eine lebensrettende Behandlung, es gibt jedoch erhebliche Einschränkungen. Am dringlichsten ist, dass einigen Patienten aufgrund früherer Operationen oder Begleiterkrankungen wie Diabetes keine geeigneten Spendergefäße zur Verfügung stehen, was bedeutet, dass die Behandlungsmöglichkeiten für diese Patienten begrenzt sind.

Aber was wäre, wenn wir stattdessen „echte“ Blutgefäße herstellen könnten, um diese Patienten zu behandeln?

Gewebetechnisch hergestellte Blutgefäße – Blutgefäße, die aus menschlichen Zellen und Gewebe hergestellt werden – könnten eine praktikable Behandlungsoption darstellen.

Darüber hinaus könnten wir diese Gefäße für viele andere Zwecke nutzen – etwa für die Schaffung einer eingebauten Blutversorgung bei der Konstruktion größerer Gewebekonstrukte. Dies ist derzeit nicht möglich, da das Gewebe bei der Implantation in den Körper absterben würde.

Trotz des Bedarfs an gewebetechnisch hergestellten Blutgefäßen hat sich deren erfolgreiche Herstellung als Herausforderung erwiesen. Blutgefäße sind komplexe, vielschichtige Gewebe und ihre Struktur ist eng mit ihrer Leistung verknüpft.

Die innerste Schicht eines Blutgefäßes ist die Endothelschicht – dabei handelt es sich um eine einzelne Schicht spezialisierter Zellen, die sich entlang der Achse des Blutgefäßes ausrichten, den Blutfluss unterstützen und die Koagulation verhindern.

Das Endothel ist von einer dreidimensionalen Schicht glatter Muskelzellen umgeben, die sich wie eine Reihe von Ringen um das Blutgefäß legen. Dies verleiht dem Blutgefäß mechanische Festigkeit, um ein Platzen zu verhindern – es kontrahiert und entspannt sich, um den Blutdruck zu regulieren.

Forscher auf der ganzen Welt versuchen seit vielen Jahren, das Tissue Engineering von Blutgefäßen zu perfektionieren.

Aktuelle Methoden sind jedoch langsam, erfordern spezielle und teure Ausrüstung (wie Bioreaktoren) und haben einen geringen Durchsatz – was bedeutet, dass es schwierig ist, die erforderliche Versorgung mit technischen Gefäßen bereitzustellen.

Durch die Kombination mehrerer Materialien und Herstellungstechnologien hat unser Team eine schnelle, kostengünstige und skalierbare Methode für das Tissue Engineering von Blutgefäßen entwickelt.

Und wie wir in der Zeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces berichten, reproduzieren unsere Gefäße die komplexe Geometrie natürlicher Blutgefäße.

Sie sind noch nicht ganz bereit für eine Bypass-Operation, aber wir hoffen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.

Zuerst mussten wir die Form schaffen, eine Art Gerüst, auf dem die Blutgefäßschichten wachsen konnten. Dies erreichten wir durch Elektrospinnen einer Schicht aus Polymerfasern auf einen Dorn, der dem Blutgefäßtransplantat die röhrenförmige Form verleiht.

Beim Elektrospinnen handelt es sich um eine Technik, die mithilfe elektrischer Spannung einen Polymerstrom in dünne Fasern zieht, die die Proteinstruktur unseres natürlichen Gewebes nachahmen, ähnlich wie das Spinnen von Wolle auf einer Spule im Nanomaßstab.

Dieser Prozess führt jedoch zu Fasern, die zufällig ausgerichtet sind, obwohl wir Fasern benötigen, die entlang der Länge oder Achse des Rohrs ausgerichtet sind, um die axiale Ausrichtung der Endothelzellen zu fördern.

Um diese Fasern auszurichten, haben wir eine einfache Gefriertechnik entwickelt.

Indem wir den elektrogesponnenen Schlauch in eine starre, teilweise mit Wasser gefüllte Form legten und einfrierten, ließen wir Eiskristalle entlang der Achse wachsen, die die Fasern in eine Ausrichtung brachten.

Anschließend ließen wir Endothelzellen auf dem Röhrchen wachsen, um die innere Schicht des Gefäßes zu bilden – das Endothel. Die Zellen richten sich spontan an den Fasern aus und erzeugen eine kontinuierliche, ausgerichtete Endothelzellschicht, wie wir sie in natürlichen Blutgefäßen sehen.

Diese Schicht bietet auch geeignete mechanische Eigenschaften, ermöglicht das Annähen des Transplantats an natürliche Blutgefäße und verhindert ein Reißen des Transplantats.

Als nächstes gießen wir eine weiche Hydrogelschicht um die elektrogesponnenen Fasern. Diese Hydrogelschicht verhindert das Austreten aus unserem Transplantat und fungiert auch als Gerüst für glatte Muskelzellen.

Wir wissen, dass Zellen sehr empfindlich auf die Steifheit ihrer Umgebung reagieren, deshalb haben wir Hydrogele unterschiedlicher Steifheit getestet.

Überraschenderweise beobachteten wir, dass die weicheren Gele es den glatten Gefäßmuskelzellen ermöglichten, sich schnell und spontan in einer 3D-Ringstruktur auszurichten, was dem ähnelt, was man in natürlichen Blutgefäßen findet.

Wir sind jetzt in der Lage, Blutgefäße schnell und kostengünstig aus lebendem Gewebe herzustellen, das über geeignete mechanische Eigenschaften verfügt und die zelluläre Ausrichtung von Endothel- und glatten Gefäßmuskelzellen in natürlichen Blutgefäßen nachahmt.

Diese Forschung erweitert unsere Fähigkeit, menschliche Blutgefäße zu konstruieren, aber es muss noch viel Arbeit geleistet werden, bevor diese Blutgefäße in die Klinik gelangen können.

Unser Team hat die elektrogesponnene Polymerschicht so konzipiert, dass sie sich im Laufe der Zeit zersetzt und ein vollständig biologisches Blutgefäß entsteht. Daher müssen wir sicherstellen, dass die elektrogesponnene Schicht mit einer angemessenen Geschwindigkeit abgebaut wird, andernfalls könnte das Transplantat seine Integrität verlieren und reißen.

Wir hoffen, dass diese künstlich hergestellten Blutgefäße in Zukunft zur Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt werden – insbesondere bei gefährdeten Patienten, denen geeignete Spendergefäße fehlen. Referenz: Alkazemi H, Huang T, Mail M, Lokmic-Tomkins Z, Heath DE, O' Connor AJ. Die spontane orthogonale Ausrichtung von glatten Muskelzellen und Endothelzellen erfasst die native Blutgefäßmorphologie in durch Gewebezüchtung hergestellten Gefäßtransplantaten. ACS-Anwendungsschnittstellen. 2023;15(29):34631-34641. doi: 10.1021/acsami.3c08511

Dieser Artikel wurde zuerst auf Pursuit veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel. Dieses Werk ist unter der Lizenz Creative Commons Attribution-No Derivatives 3.0 Australia (CC BY-ND 3.0 AU) lizenziert.