Duke-Forscher helfen bei der Entwicklung von Biomaterial, das die Hautheilung verbessert

DURHAM – Forscher der Duke University und der University of California, Los Angeles, haben ein Biomaterial entwickelt, das die Narbenbildung nach Verletzungen deutlich reduziert und so zu einer effektiveren Hautheilung führt. Dieses neue Material, das nach dem Schließen der Wunde schnell abgebaut wird, zeigt, dass die Aktivierung einer adaptiven Immunantwort eine regenerative Wundheilung auslösen kann und eine stärkere und gesündere geheilte Haut hinterlässt.

Diese Arbeit baut auf der früheren Forschung des Teams mit Hydrogelgerüsten auf, die eine Struktur zur Unterstützung des Gewebewachstums und zur Beschleunigung der Wundheilung schaffen. In ihrer neuen Studie zeigte das Team, dass eine modifizierte Version dieses Hydrogels eine regenerative Immunantwort aktiviert, die möglicherweise zur Heilung von Hautverletzungen wie Verbrennungen, Schnittwunden, diabetischen Geschwüren und anderen Wunden beitragen kann, die normalerweise mit erheblichen Narben heilen, die anfälliger für erneute Verletzungen sind .

Diese Forschung erscheint online am 9. November 2020 in der Zeitschrift Nature Materials.

„Der Körper bildet so schnell wie möglich Narbengewebe, um das Risiko einer Infektion zu verringern, Schmerzen zu lindern und bei größeren Wunden einen Wasserverlust durch Verdunstung zu vermeiden“, sagte Maani Archang, Erstautorin der Arbeit und MD/PhD Student in den Labors Scumpia und Di Carlo an der UCLA. „Es ist ein natürlicher Prozess der Wundheilung.“

Aktuelle wundheilende Hydrogele, die für den klinischen Einsatz erhältlich sind, sitzen auf der Wundoberfläche, wo sie als Verband fungieren und dabei helfen, das Austrocknen der Wunde zu verhindern. Dies wiederum trägt dazu bei, dass die Wunde schneller heilt, in der Regel durch Narbenbildung.

In ihrem Nature Materials-Artikel aus dem Jahr 2015 entwickelte das Forschungsteam unter der Leitung von Tatiana Segura von Duke und Dino Di Carlo von der UCLA mikroporöse annealte Partikel (MAP)-Hydrogele, ein auf Mikropartikeln basierendes Biomaterial, das sich in die Wunde integrieren kann, anstatt auf der Haut zu sitzen Oberfläche. Die Kügelchen im MAP-Gel verbinden sich miteinander, hinterlassen jedoch offene Räume, wodurch eine poröse Struktur entsteht, die den Zellen Halt bietet, während sie über die Wundstelle wachsen. Beim Schließen der Wunde löst sich das Gel langsam auf und hinterlässt geheilte Haut.

Obwohl die MAP-Hydrogele ein schnelles Zellwachstum und eine schnellere Reparatur ermöglichten, stellte das Team fest, dass die geheilte Haut nur begrenzte komplexe Strukturen wie Haarfollikel und Talgdrüsen aufwies. Das Team war neugierig, ob sie ihr Biomaterial verändern könnten, um die Qualität der geheilten Haut zu verbessern.

„Früher hatten wir gesehen, dass das MAP-Gel mit Beginn der Wundheilung an Porosität verlor, was das Wachstum des Gewebes durch die Struktur einschränkte“, sagt Don Griffin, ein Assistenzprofessor an der University of Virginia, der ein Novum ist Autor des Artikels und ehemaliger Postdoktorand im Segura Lab. „Wir gingen davon aus, dass eine Verlangsamung der Abbaurate des MAP-Gerüsts das Schließen der Poren verhindern und dem Gewebe während seines Wachstums zusätzliche Unterstützung bieten würde, was die Qualität des Gewebes verbessern würde.“

Anstatt ein völlig neues Gel mit neuen Materialien zu entwickeln, konzentrierte sich das Team stattdessen auf den chemischen Linker, der den natürlichen Abbau des Gerüsts durch den Körper ermöglicht. In ihren ursprünglichen MAP-Gelen besteht dieser chemische Linker aus einer Aminosäuresequenz, die körpereigenen Strukturproteinen entnommen und in einer chemischen Orientierung namens L-Chiralität angeordnet ist. Da diese Peptidsequenz und -orientierung im gesamten Körper vorkommt, verhindert dies, dass das Gel eine starke Immunantwort auslöst, ermöglicht aber auch einen schnellen Abbau durch natürlich vorhandene Enzyme.

„Unser Körper hat sich so entwickelt, dass er diese Aminosäurestruktur erkennt und abbaut. Deshalb haben wir die Theorie aufgestellt, dass es dem Körper schwerer fallen würde, das Gerüst abzubauen, wenn wir die Struktur in ihr Spiegelbild, die D-Chiralität, umdrehen würden“, sagte Segura, ein Professor der biomedizinischen Technik bei Duke. „Aber als wir das Hydrogel in eine Mäusewunde einbrachten, bewirkte das aktualisierte Gel genau das Gegenteil.“

Das aktualisierte Material integrierte sich in die Wunde und stützte das Gewebe beim Schließen der Wunde. Doch anstatt länger zu halten, stellte das Team fest, dass das neue Gel fast vollständig von der Wundstelle verschwunden war und nur wenige Partikel zurückblieb.

Allerdings erwies sich die geheilte Haut als stärker und wies komplexe Hautstrukturen auf, die in Narben typischerweise fehlen. Nach weiteren Untersuchungen stellten die Forscher fest, dass der Grund für die stärkere Heilung – trotz mangelnder Langlebigkeit – eine unterschiedliche Immunreaktion auf das Gel war.

Nach einer Hautverletzung wird die körpereigene Immunantwort sofort aktiviert, um sicherzustellen, dass in den Körper gelangende Fremdstoffe schnell zerstört werden. Wenn Substanzen dieser ersten Immunantwort entkommen können, setzt die adaptive Immunantwort des Körpers ein, die das eindringende Material spezifischer identifiziert und gezielt bekämpft.

Da das ursprüngliche MAP-Gel mit der gemeinsamen L-Peptidstruktur hergestellt wurde, erzeugte es eine milde angeborene Immunantwort. Doch als das Team das neu formulierte Gel in eine Wunde einbrachte, aktivierte die fremde D-Chiralität das adaptive Immunsystem, das Antikörper bildete und Zellen wie Makrophagen aktivierte, die das Gel nach dem Schließen der Wunde schneller angreifen und ausscheiden konnten.

„Es gibt zwei Arten von Immunreaktionen, die nach einer Verletzung auftreten können – eine destruktive Reaktion und eine mildere regenerative Reaktion“, sagte Scumpia, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Dermatologie an der UCLA Health und dem West Los Angeles VA Medical Center. „Wenn die meisten Biomaterialien in den Körper gelangen, werden sie vom Immunsystem abgeschirmt und schließlich abgebaut oder zerstört. Aber in dieser Studie löste die Immunantwort auf das Gel eine regenerative Reaktion im geheilten Gewebe aus.“

„Diese Studie zeigt uns, dass die Aktivierung des Immunsystems genutzt werden kann, um das Gleichgewicht der Wundheilung von Gewebezerstörung und Narbenbildung hin zu Gewebereparatur und Hautregeneration zu verschieben“, sagte Segura.

In Zusammenarbeit mit Maksim Plikus, einem Experten für regeneratives Gewebe an der University of California, Irvine, bestätigte das Team außerdem, dass sich Schlüsselstrukturen wie Haarfollikel und Talgdrüsen korrekt über dem Gerüst bildeten. Als das Team den Mechanismus untersuchte, stellte es fest, dass die Zellen des adaptiven Immunsystems für diese regenerative Reaktion erforderlich sind.

Während das Team weiterhin die regenerative Immunantwort auf ihr Gel untersucht, prüft es auch die Möglichkeit, das neue MAP-Hydrogel als immunmodulatorische Plattform zu verwenden. „Das Team erforscht nun den besten Weg, Immunsignale aus dem Gel freizusetzen, um entweder die Hautregeneration zu induzieren oder das Hydrogel als Impfstoffplattform zu entwickeln“, sagte Scumpia.

„Ich freue mich über die Möglichkeit, Materialien zu entwickeln, die direkt mit dem Immunsystem interagieren können, um die Geweberegeneration zu unterstützen“, sagte Segura. „Das ist ein neuer Ansatz für uns.“

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (F32EB018713-01A1, T32-GM008042, U01AR073159), der National Science Foundation (DMS1763272) und den Simons Foundation Grants (594598, QN, R01NS094599, R01HL110592, R03AR073940, K08AR066) unterstützt 545), der Pew Charitable Trust und die LEO Foundation.

Donald Griffin, Westbrook Weaver, Dino Di Carlo, Tatiana Segura und Philip Scumpia sind finanziell an Tempo Therapeutics beteiligt, das die Kommerzialisierung der MAP-Technologie zum Ziel hat.

ZITAT: „Die Aktivierung einer adaptiven Immunantwort eines Hydrogel-Gerüsts sorgt für regenerative Wundheilung“, Donald Griffin, Maani Archang, Chen Kuan, Westbrook Weaver, Jason Weinstein, An Chieh Feng, Amber Ruccia, Elias Sideris, Vasileios Ragkousis, Jaekyung Koh, Maksim Plikus, Dino Di Carlo, Tatiana Segura, Philip Scumpia. Naturmaterialien, 2020. 10.1038/s41563-020-00844-w

(C) Duke University

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire