Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Wenn das Herz einen massiven Infarkt erleidet, unterbricht eine Blockade die Blutversorgung, wodurch ein Stück Muskelgewebe abstirbt und unfähig wird, sich selbst zu heilen. Im Gegensatz zu einem gebrochenen Knochen, der wieder zusammenwächst, besitzt das Herzmuskelgewebe eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Regeneration. Sobald die Zellen absterben, sind sie weg und werden durch starres Narbengewebe ersetzt, das kein Blut pumpen kann. Um dies zu beheben, erforscht die Wissenschaft eine Methode namens Tissue Engineering (Gewebezüchtung), die darauf abzielt, temporäre, künstliche Strukturen zu bauen, die neue Herzzellen unterstützen und deren Wachstum fördern können. Diese Strukturen, bekannt als Scaffolds (Gerüste), müssen mehr tun, als nur Zellen an Ort und Stelle zu halten; sie müssen die natürliche Umgebung des Herzens nachahmen, die weich, flexibel ist und ständig elektrische Signale aussendet, um das Herz im Rhythmus zu halten. Die Herausforderung besteht darin, ein Material zu schaffen, das stark genug ist, um der physischen Belastung eines schlagenden Herzens standzuhalten, sicher genug, damit der Körper es akzeptiert, und leitfähig genug, um diese lebenswichtigen elektrischen Impulse zu übertragen.

In einer aktuellen Studie versuchten Forscher, ein solches Gerüst zu erschaffen, indem sie drei verschiedene Materialien zu einem einzigen, funktionellen Blatt mischten. Sie kombinierten einen synthetischen Kunststoff, der für seine Elastizität bekannt ist, ein natürliches, auf Zucker basierendes Polymer aus Krustentieren und eine spezielle Art von Kunststoff, die elektrischen Strom leiten kann. Der synthetische Kunststoff, thermoplastisches Polyurethan, liefert die notwendige Dehnbarkeit und Haltbarkeit. Das natürliche Polymer, Chitosan, bietet eine Oberfläche, die lebende Zellen erkennen und an der sie gerne haften bleiben. Um das Problem der elektrischen Leitfähigkeit zu lösen, fügte das Team Polypyrrol hinzu, ein Material, das Elektrizität fließen lässt, ähnlich wie ein Draht, aber in einer Form, die mit anderen weichen Materialien gemischt werden kann. Sie enthielten auch zwei gängige Zusatzstoffe, Natriumalginat und Calciumgluconat, um der Mischung zu helfen, ihre Form zu halten und besser mit dem Körper zu interagieren. Das Ziel war es zu sehen, ob diese spezifische Kombination ein stabiles, poröses Gefüge schaffen kann, das das Wachstum von Herzzellen unterstützt und gleichzeitig Elektrizität leitet.

Die Forscher begannen damit, diese Komponenten in verschiedenen Lösungsmitteln aufzulösen und in unterschiedlichen Verhältnissen zu mischen, um das perfekte Gleichgewicht zu finden. Sie entdeckten, dass das bloße Mischen des Kunststoffs und des natürlichen Polymers ohne die anderen Inhaltsstoffe zu einem Blatt führte, das zu dicht war und nicht über die winzigen Löcher, oder Poren, verfügte, die Zellen zum At ממשen und Bewegen benötigen. Als sie jedoch die Zusatzstoffe und das leitfähige Material einführten, veränderte sich die Mischung. Die Zusatzstoffe halfen dabei, eine schwammartige Struktur mit miteinander verbundenen Poren zu erzeugen, was essenziell ist, damit Zellen in das Material einwandern können. Wenn sie die Menge des leitfähigen Polypyrrol erhöhten, wurden die Poren kleiner und die Oberfläche des Materials wurde rauer. Diese Rauheit ist tatsächlich vorteilhaft, da sie den Zellen mehr Oberfläche bietet, an der sie sich festhalten können, so wie eine strukturierte Oberfläche besseren Halt bietet als eine glatte.

Entscheidend war, dass die Zugabe des leitfähigen Materials die elektrischen Eigenschaften des Gerüsts transformierte. Die Basismischung aus Kunststoff und natürlichem Polymer leitete überhaupt keinen Strom. Aber sobald das Polypyrrol hinzugefügt wurde, war das Blatt in der Lage, einen elektrischen Strom zu tragen. Je mehr Polypyrrol sie hinzufügten, desto besser leitete das Blatt Elektrizität. Dies ist eine lebenswichtige Erkenntnis, da Herzzellen auf elektrische Signale angewiesen sind, um ihren Schlag zu koordinieren; ein Gerüst, das keinen Strom leiten kann, würde das natürliche Herz rhythmieren nicht unterstützen können. Das Team testete auch, wie das Material mit Wasser interagiert. Während die Basismischung Wasser abstieß, machte die Zugabe des leitfähigen Materials die Oberfläche wasserfreundlicher, was im Allgemeinen hilft, dass Zellen leichter anhaften und sich ausbreiten können.

Um zu sehen, ob diese neuen Materialien sicher und effektiv waren, testeten die Forscher sie in einer Laborumgebung mit lebenden Herzzellen und Blutgefäßzellen. Sie fanden heraus, dass die Zellen auf den Gerüsten nicht nur überlebten, sondern auch gut wuchsen und fest an der Oberfläche hafteten. Die Herzzellen behielten ihre charakteristische Form bei und zeigten sogar Anzeichen dafür, dass sie die internen Strukturen entwickelten, die für die Kontraktion notwendig sind. Die Studie untersuchte auch, wie die Gerüste im Laufe der Zeit zerfallen. Die Materialien wurden so konzipiert, dass sie biologisch abbaubar sind, was bedeutet, dass sie langsam zerfallen, während sich neues Gewebe bildet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gerüste mit dem leitfähigen Material etwas schneller zerfielen als die Basismischung, was wahrscheinlich daran liegt, dass sie mehr Wasser absorbierten. Dies deutet darauf hin, dass sie mit einer Rate verschwinden könnten, die mit dem Wachstum des neuen Herzgewebes übereinstimmt.

Über die Unterstützung von Herzzellen hinaus untersuchten die Forscher, ob die Gerüste das Wachstum neuer Blutgefäße fördern können, ein Prozess, der als Angiogenese bekannt ist. Ohre die Versorgung durch frische Blutgefäße fehlt, kann neues Herzgewebe nicht überleben. Unter Verwendung eines biologischen Modells mit Hühnerembryonen beobachteten sie, dass die Gerüste, die das leitfähige Material und den Calcium-Zusatz enthielten, das Wachstum neuer Blutgefäße effektiver förderten als die Basismischung. Dies deutet darauf hin, dass die spezifische Kombination der Inhaltsstoffe nicht nur die Herzmuskelzellen direkt unterstützt, sondern auch hilft, das notwendige Gefäßnetz aufzubauen, das sie ernährt. Die Studie stellte auch fest, dass die Gerüste eine gewisse Fähigkeit besaßen, das Wachstum bestimmter Bakterien zu hemmen, was ein hilfreicher Nebeneffekt sein könnte, um Infektionen nach der Implantation zu verhindern.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die vielversprechendste Version ihres Gerüsts diejenige war, die eine spezifische, moderate Menge des leitfähigen Materials enthielt. Diese Version bot das beste Gleichgewicht: Sie war stark genug, um ihre Form zu halten, flexibel genug, um sich mit dem Herzen zu bewegen, leitfähig genug, um elektrische Signale zu übertragen, und porös genug, um Zellen das Wachstum im Inneren zu ermöglichen. Obwohl die Studie das Material nicht in einem lebenden menschlichen oder tierischen Herzen getestet hat, legen die Laborergebnisse nahe, dass diese Kombination von Materialien eine günstige Umgebung für die kardiale Reparatur schafft. Durch die sorgfältige Abstimmung der Mischung aus synthetischem Kunststoff, natürlichem Polymer und leitfähigem Material hat das Team eine Plattform geschaffen, die die multiplen komplexen Anforderungen des Herzgewebe-Engineerings adressiert und einen potenziellen Weg zur Reparatur des geschädigten Herzmuskels eröffnet, der derzeit keine natürliche Möglichkeit zur Heilung besitzt.