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Kunstgewebe: Meterlange Mikrofasern stricken Kunstgewebe

Organe stricken mit Hydrogelfasern

Künstliche Organe könnten einmal kranke Gewebe ersetzen und Medizinern in vielerlei Hinsicht hilfreich sein. In den ersten Schritten dorthin ist es schon gelungen, einzelne gewebetypische Zellen nachzubauen; der nächste Schritt des "Tissue Engineering" – diese Zellen auch zu einem sinnvollen funktionierenden Verbund, einem künstlichen Organ, zusammenzufügen – ist aber eine deutlich komplexere und bisher nicht zufrieden stellend gelöste Herausforderung. Die Schwierigkeit besteht daran, geeignete dreidimensionale Gerüste für die Zellbausteine zu errichten. Forscher benutzen dafür bislang verschiedene körpereigene oder künstliche Materialien, die jeweils unterschiedliche Vor-, aber auch Nachteile aufweisen. Ein japanisches Bioingenieur-Team hofft jetzt, eine überlegene Materialalternative gefunden zu haben: Es hat aus den Gerüstproteinen Kollagen und Fibrin meterlange Hydrogelmikrofasern zu funktionalen Matrizes beliebiger Form versponnen, in denen Muskel-, Gefäßwand- oder Nervenzellen eingelagert sind.

Mikrofasern mit unterschiedlichen Zelltypen | Unterschiedliche Zellen können in die Hydrogelmikrofasern eingebettet werden – und funktionsfähig bleiben. Gezeigt sind kontraktionsfähige Herzmuskelzellen einer Ratte (A), menschliche Deckgewebezellen (B), kortikale Zellen einer Ratte (C) und induzierte neuronale Stammzellen (grün dargestellt sind Neurone, rot die umhüllenden Gliazellen).

Shoji Takeuchi und seine Kollegen von der University of Tokyo mischen – anders als bei früheren faserbasierten Gerüstkonstruktionen – lebende Zellen mit vorbehandelten extrazellulären Matrixproteinen (ECM-Proteine). Diese gewährleisten, dass kommunikative Zell-Zell-Kontakte sowie andere von der extrazellulären Matrix abhängige Funktionen der Zellen intakt bleiben, eine Grundvoraussetzung für eine im Organismus voll funktionsfähige 3-D-Organkopie.

Die modifizierten ECM-Proteine brauchen allerdings weitaus länger als andere gängige Baustoffe, um ein mechanisch stabiles Hydrogel zu bilden. Deswegen umhüllt das Forscherteam das zunächst flüssige Gemisch aus Zellen und ECM-Proteinen mit einer rasch polymerisierenden Schicht aus Alginat, die der Faser Stabilität verleiht. Nach dem Ausformen des eigentlichen ECM-Hydrogels kann diese Hülle dann durch spezielle Enzyme leicht abgebaut werden. Die Forscher demonstrierten die Vorzüge des Verfahrens bereits in Diabetesmäusen, denen sie Hydrogelmikrofasern mit Pankreasinselzellen implantierten, die dann einige Tage lang Insulin produzierten und den Blutzuckerspiegel der Tiere normalisierten.

In die ECM-Hydrogelfasern lassen sich unterschiedliche Zelltypen so einbetten, dass sie auch im Verbund funktionsfähig bleiben – unter anderem sogar kontraktionsfähige Muskelzellen, mit denen sich die umgebende Fasermatrix dann problemlos mitbewegt, wie Versuche mit Herzmuskelzellen zeigen, die die Fasern rhythmisch pulsieren lassen. Mit verschiedenen Zellen beladene, kapillardünne Fasern sollen in Zukunft relativ einfach zu Organen verwebbar sein, deren Schichten wie im natürlichen Vorbild unterschiedliche Zellen von Deck- oder Füllgewebe sinnvoll kombinieren. Zudem lassen sich diese Fasern wohl minimalinvasiv im Körper platzieren und in die gewünschte Form manipulieren, hoffen Takeuchi und Kollegen: "Eine methodische Innovation der Geweberekonstruktion – im Labor und im lebenden Organismus."

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