Microthreads helfen beim Wachstum neuer Muskeln

Forscher haben große Muskelwunden bei Mäusen repariert, indem sie mit menschlichen Muskelzellen beschichtete Mikrofäden züchteten und implantierten. Die Mikrofäden – aus dem gleichen Material, das die Bildung von Blutgerinnseln auslöst – scheinen den Zellen dabei zu helfen, in der richtigen Ausrichtung zu wachsen, was für den Wiederaufbau des funktionierenden Muskelgewebes unerlässlich ist.

Muskel reparieren: Haardünne Fäden wie die hier gezeigten wurden mit Muskelzellen besät und in Wunden implantiert, um die Muskelheilung bei Mäusen zu unterstützen.

Wir vermuten, dass Zellen entlang dieser Gerüste wandern, die wie eine Leitung wirken, sagt George Pins , außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen am Worcester Polytechnic Institute. Pins hat die Microthread-Technologie entwickelt. Die implantierten Zellen integrieren sich schnell in den bestehenden Muskel und reduzieren die Bildung von Narbengewebe. Die Zellen wachsen in den Raum hinein, wo früher Muskeln waren, aber sie wachsen gelenkt.

Derzeit können Ärzte nicht viel tun, wenn jemand massive Muskelverletzungen erleidet, etwa bei einem Autounfall oder einer Explosion. In der Wunde können sich dicke Bänder aus Narbengewebe bilden, die den Muskel schwer und dauerhaft beeinträchtigen.

Wissenschaftler entwickeln zahlreiche Ansätze zur Herstellung von Ersatzmuskeln, darunter das Züchten von Zellflecken in einer Schale, die Injektion von Stammzellen in beschädigte Muskeln und die Implantation von mit Zellen besäten Gerüsten, die natives Gewebe nachahmen sollen. Während all diese Bemühungen für bestimmte Anwendungen vielversprechend sind, besteht eine der größten Herausforderungen darin, genügend Zellen in der richtigen Struktur zu züchten, um große Muskelwunden zu heilen.

Muskelaufbau ist sehr wichtig, sagt Kevin Kit Parker , ein Bioingenieur an der Harvard University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Sie möchten, dass die Sarkomere [die grundlegende funktionelle Einheit des Muskels] ausgerichtet sind, so erhalten Sie Muskelkontraktionen.

Pins und seine Mitarbeiter, einschließlich Ray-Seite , Assistenzprofessor am Bioengineering Institute des WPI, wollen dieses Problem lösen, indem sie Zellen entlang von Mikrofäden wachsen lassen. Diese haardünnen Strähnen bestehen aus Fibrin, einem Proteinpolymer, das der Körper verwendet, um die Wundheilung einzuleiten, und ein üblicher Bestandteil des Tissue Engineering. Um die Mikrofäden herzustellen, extrudieren die Forscher gleichzeitig Fibrinogen, den Baustein von Fibrin, und Thrombin, ein Enzym, das die löslichen Fibrinogenproteine ​​katalysiert, aus zwei kleinen Röhrchen zu einem Polymer. (Microrothreads werden auch für andere Anwendungen untersucht, wie z. B. das Wachstum von Herzmuskelflecken, um Schäden nach Herzinfarkten zu reparieren.)

Die Fäden wurden mit menschlichen Muskelzellen beimpft, die aus Gewebe stammten, das während der Operation weggeworfen wurde. Vor der Aussaat züchtete Pages Team die Zellen unter Bedingungen, die sie dazu zwangen, sich zu dedifferenzieren – oder zu jugendlicheren, weniger spezialisierten Zellen zu werden – wodurch sie sich wiederum besser regenerieren konnten.

Um die Technologie an Mäusen zu testen, schnitten die Forscher etwa 30 Prozent des Tibialis anterior-Muskels der Tiere heraus, der an der Vorderseite des Unterschenkels liegt. Anschließend implantierten sie mit Zellen besäte Mikrofäden in die Wunde. (Der Durchmesser des Fadens, etwa 50 bis 100 Mikrometer, ist fünf- bis zehnmal so groß wie die Zellen.)

Forscher glauben, dass das Fibringerüst Signalsignale sendet, die die natürliche Wundheilung nachahmen, indem es an Wachstumsfaktoren und andere Moleküle in Blutgerinnseln bindet. Es zieht auch ein Enzym an, das das Fibrin abbaut und Fibrinogenproteine ​​freisetzt, die den umliegenden Zellen signalisieren, in das Gewebe einzuwandern und neues Gewebe zu wachsen, sagt Pins.

Die Zellen schienen sich innerhalb weniger Tage in das Wirtsgewebe zu integrieren. Nach einer Woche begannen die Mikrofäden abzubauen und die Forscher sahen, dass Muskelfasern in den zurückgebliebenen Bereich gewachsen waren. Nach 10 Wochen war das Wundbett voller menschlicher Zellen, die wie reife Muskelfasern aussahen. Seite präsentierte die Forschung bei einem Bioengineering Symposium bei WPI Anfang dieses Monats.

Die Forscher versuchen nun herauszufinden, ob sich das neue Gewebe wie ein normaler Muskel verhält. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass die Implantate auch das Wachstum nativer Muskelzellen ankurbelten, obwohl Page sagt, dass dies noch bestätigt werden muss.

Darüber hinaus hatten Mäuse, denen Mikrofäden implantiert wurden, viel weniger Narbengewebe als Tiere, die allein heilen mussten. Die Mikrofäden reduzierten dramatisch die Menge an Kollagen [dem Hauptbestandteil des Narbengewebes], die sich im Wundbereich ablagerte, sagt Page. Anstelle von Kollagen sehen wir viel [gut organisiertes] Muskelgewebe.

Page sagt, dass während andere Wissenschaftler in der Lage waren, Muskeln bis zu einem gewissen Grad zu reparieren, die WPI-Technologie jedoch einen viel größeren Verletzungsbereich heilte als frühere Forschungen. Dies kann daran liegen, dass die Mikrofäden dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen beim Wachsen größerer Streifen neuen Gewebes zu lösen – die Zufuhr von ausreichend Blut, das für das Überleben der Zellen unerlässlich ist. Einer der Gründe, warum wir Mikrofäden untersuchen wollten, war, dass wir der Meinung waren, dass der Raum zwischen den Fäden Raum für die Gefäßbildung und das Wachstum von Muskelzellen schaffen würde, sagt Page.

Parker von Harvard, der den Herzmuskel mit noch kleineren Fasern wachsen lässt, stimmt dem zu und fügt hinzu, dass nur wenige Leute im Tissue Engineering diesen Ansatz verfolgen. Wenn ich ein festes Stück Fleisch hineinlege, wird das Zentrum hypoxisch [oder sauerstoffarm], sagt Parker. Wenn ich zwischen den Zellen Platz lasse, ist es einfacher, lokale Blutgefäße zu rekrutieren.

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