Inspiriert von vor Tausenden von Jahren entwickelten Nähten haben MIT-Ingenieure „intelligente“ Nähte entwickelt, die nicht nur Gewebe an Ort und Stelle halten, sondern auch Entzündungen erkennen und Medikamente freisetzen können.
Die neuen Nähte werden aus tierischem Gewebe gewonnen, ähnlich den „Katgut“-Nähten, die erstmals von den alten Römern verwendet wurden. In einer modernen Variante beschichtete das MIT-Team die Nähte mit Hydrogelen, in die Sensoren, Medikamente oder sogar Zellen eingebettet werden können, die therapeutische Moleküle freisetzen.
„Was wir haben, ist ein Nahtmaterial, das biologisch gewonnen und mit einer Hydrogelbeschichtung modifiziert ist, die als Reservoir für Entzündungssensoren oder für Medikamente wie monoklonale Antikörper zur Behandlung von Entzündungen dienen kann. Bemerkenswert ist, dass die Beschichtung auch die Fähigkeit hat, Zellen zurückzuhalten.“ über einen längeren Zeitraum lebensfähig“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und leitender Autor der Studie.
Die Forscher gehen davon aus, dass diese Nähte Patienten mit Morbus Crohn bei der Heilung nach einer Operation zur Entfernung eines Teils des Darms helfen könnten. Die Nähte könnten auch für die Heilung von Wunden oder chirurgischen Schnitten an anderen Stellen des Körpers angepasst werden, sagen die Forscher.
Die ehemaligen MIT-Postdocs Jung Seung Lee und Hyunjoon Kim sind die Hauptautoren des Artikels, der heute in der Zeitschrift erscheint Gegenstand.
Inspiriert von Katgut
Catgut-Nähte – die aus gereinigten Kollagensträngen von Kühen, Schafen oder Ziegen (aber nicht von Katzen) hergestellt werden – bilden starke Knoten, die sich auf natürliche Weise innerhalb von etwa 90 Tagen auflösen. Obwohl es auch synthetisches resorbierbares Nahtmaterial gibt, wird Catgut immer noch in vielen chirurgischen Eingriffen verwendet.
Traverso und seine Kollegen wollten sehen, ob sie auf dieser Art von aus Gewebe gewonnenem Nahtmaterial aufbauen können, um ein Material zu schaffen, das robust und resorbierbar ist und über erweiterte Funktionen wie Wahrnehmung und Arzneimittelabgabe verfügt.
Solche Nähte könnten besonders nützlich für Patienten mit Morbus Crohn sein, bei denen ein Teil des Darms aufgrund einer Verstopfung durch übermäßige Narbenbildung oder Entzündung entfernt werden muss. Bei diesem Verfahren müssen die beiden nach der Entfernung eines Darmabschnitts verbleibenden Enden wieder verschlossen werden. Wenn diese Dichtung nicht dicht hält, kann es zu Undichtigkeiten kommen, die für den Patienten gefährlich sind.
Um dieses Risiko zu verringern, wollte das MIT-Team eine Naht entwickeln, die nicht nur das Gewebe an Ort und Stelle hält, sondern auch Entzündungen erkennen kann, ein Frühwarnzeichen dafür, dass der wieder verschlossene Darm nicht richtig heilt.
Die Forscher stellten ihre neuen Nähte aus Schweinegewebe her, das sie mit Reinigungsmitteln „dezellularisierten“, um das Risiko einer Entzündung im Wirtsgewebe zu verringern. Dieser Prozess hinterlässt ein zellfreies Material, das die Forscher „De-gut“ nennen und das Strukturproteine wie Kollagen sowie andere Biomoleküle enthält, die in der extrazellulären Matrix, die die Zellen umgibt, vorkommen.
Nachdem das Gewebe dehydriert und zu Strängen gedreht wurde, bewerteten die Forscher seine Zugfestigkeit – ein Maß dafür, wie viel Dehnung es aushalten kann, bevor es bricht – und stellten fest, dass es mit kommerziell erhältlichen Catgut-Nähten vergleichbar war. Sie fanden auch heraus, dass De-Darm-Nähte eine viel geringere Immunantwort des umliegenden Gewebes auslösen als herkömmliche Katdarm-Nähte.
„Dezellularisierte Gewebe werden aufgrund ihrer hervorragenden Biofunktionalität in großem Umfang in der regenerativen Medizin eingesetzt“, sagt Lee. „Wir schlagen nun eine neuartige Plattform für die Wahrnehmung und Abgabe unter Verwendung von dezellularisiertem Gewebe vor, die neue Anwendungen von aus Gewebe gewonnenen Materialien eröffnen wird.“
Intelligente Anwendungen
Als nächstes machten sich die Forscher daran, das Nahtmaterial mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Dazu überzogen sie die Nähte mit einer Schicht Hydrogel. In das Hydrogel können sie verschiedene Arten von Ladung einbetten – Mikropartikel, die Entzündungen wahrnehmen können, verschiedene Arzneimittelmoleküle oder lebende Zellen.
Für die Sensoranwendung entwickelten die Forscher Mikropartikel, die mit Peptiden beschichtet sind, die freigesetzt werden, wenn entzündungsassoziierte Enzyme, sogenannte MMPs, im Gewebe vorhanden sind. Diese Peptide können mit einem einfachen Urintest nachgewiesen werden.
Die Forscher zeigten auch, dass sie die Hydrogelbeschichtung zum Transport von Medikamenten nutzen könnten, die zur Behandlung entzündlicher Darmerkrankungen eingesetzt werden, darunter ein Steroid namens Dexamethason und ein monoklonaler Antikörper namens Adalimumab. Diese Medikamente wurden von Mikropartikeln getragen, die aus von der FDA zugelassenen Polymeren wie PLGA und PLA hergestellt wurden und zur Steuerung der Freisetzungsrate von Medikamenten verwendet werden. Dieser Ansatz könnte auch auf die Verabreichung anderer Arten von Medikamenten wie Antibiotika oder Chemotherapeutika angepasst werden, sagen die Forscher.
Diese intelligenten Nähte könnten auch zur Abgabe therapeutischer Zellen wie Stammzellen verwendet werden. Um diese Möglichkeit zu untersuchen, eingebetteten die Forscher die Nähte in Stammzellen, die so konstruiert wurden, dass sie einen Fluoreszenzmarker exprimieren, und stellten fest, dass die Zellen bei der Implantation in Mäuse mindestens sieben Tage lang lebensfähig blieben. Die Zellen waren auch in der Lage, den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) zu produzieren, einen Wachstumsfaktor, der das Wachstum von Blutzellen stimuliert.
Die Forscher arbeiten nun daran, jede dieser möglichen Anwendungen weiter zu testen und den Herstellungsprozess für das Nahtmaterial zu steigern. Sie hoffen auch, die Möglichkeit zu erkunden, die Nähte auch in anderen Körperteilen als dem Magen-Darm-Trakt einzusetzen.
Weitere Autoren des Artikels sind Gwennyth Carroll, Gary Liu, Ameya Kirtane, Alison Hayward, Adam Wentworth, Aaron Lopes, Joy Collins, Siid Tamang, Keiko Ishida, Kaitlyn Hess, Junwei Li und Sufeng Zhang.
Die Forschung wurde vom Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, der MIT-Abteilung für Maschinenbau, der National Research Foundation of Korea und einem Ruth L. Kirschstein NRSA-Stipendium des National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Disease finanziert.
