Durchbruch bei künstlicher Hornhaut könnte zu selbstorganisierenden Organen führen

Für jede Person auf der Welt, die eine Hornhauttransplantation erhält, gibt es 69 andere, die noch eine benötigen. Damit verbleiben etwa 12,5 Millionen Menschen mit eingeschränkter Sicht, da nicht genügend Augenspender vorhanden sind. Aber was wäre, wenn wir im Labor neue Hornhäute züchten könnten?

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler künstliche Hornhäute aus synthetischem Kollagengel getestet. Eine der Schwierigkeiten besteht darin, dass das Gel die richtige gekrümmte Form annimmt, um sich dem Auge anzupassen und das Licht zu fokussieren, damit der Patient wieder sehen kann.

Forscher der Newcastle University haben kürzlich einen Weg gefunden, um Gel mit lebenden Hornhautzellen zum richtigen Muster zusammenzusetzen, wie ein Stück Papier, das sich zu einem Origami-Design zusammenfaltet. Das gleiche Prinzip könnte eines Tages genutzt werden, um andere menschliche Organe herzustellen, was möglicherweise Millionen von Menschen helfen könnte, die Transplantationen benötigen.

Die lebenden Zellen, die Forscher dem Kollagen hinzufügten, wirkten wie Mikroaktuatoren, wobei mikroskopische Motoren eine kontrahierende Zugkraft ausüben. Die Kraft jeder Zelle ist klein, aber zusammen können sie einen 2,5 cm breiten Gewebeblock zu einer Hornhaut-ähnlichen Struktur formen.

Die Forscher haben zuvor gezeigt, dass Kollagengele, die Hornhautzellen enthalten, weniger kontrahierten, wenn bestimmte Moleküle (Peptidamphiphile) hinzugefügt wurden. Aufgrund dieser Beobachtung konnten wir die Gelmischung so gestalten, dass sie sich an verschiedenen Stellen um unterschiedliche Mengen zusammenzieht, um eine bestimmte Form anzunehmen.

In diesem speziellen Fall wurde eine kreisförmige Form geschaffen, die in zwei Ringe unterteilt ist, wobei Peptidamphiphile entweder im äußeren Ring oder in der Mitte liegen. In beiden Fällen zog sich ein Teil stärker zusammen als der andere und dieser Unterschied führte dazu, dass sich das Gel innerhalb von fünf Tagen progressiv krümmte, bis es eine Hornhautform erreichte.

Es ist möglich, diese Technik zu verwenden, um andere künstliche Gewebe aus Organen herzustellen, die normalerweise Zellen enthalten, die sich zusammenziehen können. Herz-, Haut-, Muskel- und Blutgefäßgewebe könnten mit dieser Technologie theoretisch reproduziert werden.

Zunächst müssen die kontrahierenden Zellen mit dem interessierenden Biomaterial kombiniert werden. Dann ist es nur eine Frage des Verständnisses, welche Teile sich weniger als andere zusammenziehen müssen, und die Peptidamphiphile innerhalb klar definierter Bereiche innerhalb des Biomaterials zu positionieren, um es in die gewünschte Form zu bringen.

Dieses Konzept könnte auch durch Fortschritte im 3D-Druck unterstützt werden, mit denen bereits neue Wege zur Herstellung verschiedener künstlicher Organe entwickelt werden.

“Obwohl die Technologie immer noch optimiert wird, haben wir kürzlich große Durchbrüche im Zelldruck erlebt, die schließlich zu 3D-gedruckten Lebern, Knochen und sogar Herzen führen könnten.”

Die Forscher, angeführt von Professor Che Connon, haben bereits eine vollständige künstliche Hornhaut im 3D-Druck erstellt. Schließlich können 3D-Drucker möglicherweise weitaus komplexere biologische Strukturen reproduzieren, indem sie Schicht für Schicht aufgebaut werden. Zum Erstellen der mehreren Kammern eines Herzens würde beispielsweise Biotinte, die Herzzellen enthält, von einem Patienten auf ein biologisch abbaubares Gerüst gedruckt, das später durch Wärme entfernt werden kann, um ein vollständig biologisches Herz für die Transplantation bereit zu stellen.

Es ist jedoch auch möglich, diese Technologie mit der Erfindung des 4D-Drucks weiter voranzutreiben. Das Drucken von Strukturen, die sich nach dem Fertigungsprozess durch Falten zusammenfügen lassen, ist genauso wie unsere Hornhaut. Wenn Sie biologische Strukturen drucken, die sich in einer noch komplexeren Form anordnen lassen, müssen Sie keine Gerüste herstellen, um die Zellen zu bedrucken oder sie anschließend zu entfernen. Die Genauigkeit des Druckprozesses wäre äußerst nützlich, um die Moleküle auf Peptidbasis, die die Zellen innerhalb des Biomaterials kontrahieren, genau zu positionieren.

Der vollständige 4D-Druck vollständiger Organe ist möglicherweise noch relativ weit in der Zukunft. In der Zwischenzeit können wir jedoch auch prüfen, wie die Technologie zur Entwicklung neuer, effizienterer intelligenter Materialien beitragen kann. Das Verfahren könnte verwendet werden, um formverändernde Stents herzustellen, um verstopfte Blutgefäße offen zu halten. Ein geschlossener Stent könnte leicht in den Blutkreislauf injiziert und dann durch die sich zusammenziehende Kraft der Zellen an einer verletzten Stelle geöffnet werden, so dass keine Operation erforderlich ist.

Im Allgemeinen ist das Spektrum möglicher Anwendungen von bio-responsiven, selbstfaltenden Materialien sehr groß. In der Zwischenzeit wird das Team weiterhin mit sich selbst krümmenden Hornhäuten arbeiten, die sie als verbesserten Ersatz für das Hornhautgewebe untersuchen. Die Forscher hoffen, dass diese Technologie das, was wir mit bio-synthetischen Organen und Geweben erreichen können, allmählich erweitert und den Millionen von Menschen, die auf Transplantationen warten, Hoffnung gibt.