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Regenerierende Nerven
Der menschliche Körper kann erstaunlich belastbar sein: Wunden heilen, Knochen heilen, Bänder wachsen wieder zusammen. Aber die Erholung von Nervenschäden ist weit weniger zuverlässig. In der neuesten Ausgabe von Fortgeschrittene Werkstoffe , gaben die Forscher Christiane Gumera und Yadong Wang vom Georgia Institute of Technology bekannt, dass sie das Nachwachsen von Nervenzellen mithilfe eines Polymers ausgelöst haben, das mit chemischen Strukturen beschichtet ist, die Acetylcholin, einem häufig vorkommenden Neurotransmitter, ähneln. Die Forschung, die erstmals einen Neurotransmitter und ein Polymer kombiniert, könnte eines Tages zu Behandlungen für neurodegenerative Erkrankungen und Rückenmarksverletzungen führen.
Pflegende Nerven: Christiane Gumera und Yadong Wang von Georgia Tech (oben) betrachten gefärbte Neuronen, die auf einem Polymer wachsen, das mit chemischen Strukturen durchsetzt ist, die dem Neurotransmitter Acetylcholin ähneln. Das Polymer stimuliert das Wachstum der informationstragenden Projektionen der Neuronen, die als Neuriten bekannt sind (unten).
Viele Leute haben mit Biopolymeren gearbeitet, sagt Christine Schmidt, eine biomedizinische Ingenieurin an der University of Texas in Austin. Dies zeigt jedoch, dass ein Polymer mit einem Neurotransmitter verwendet werden kann, um das Wachstum im Nervensystem zu steuern.
Frühere Forschungen haben mehrere Wirkstoffe identifiziert, die das Nachwachsen von Nervenzellen oder Neuronen stimulieren können, darunter vor allem ein Protein namens Laminin. Aber Laminin ist wasserlöslich und löst sich schnell in der wasserbasierten Umgebung des Körpers auf. Das Material der Georgia Tech-Forscher funktionierte genauso gut wie Laminin, aber da es wasserunlöslich ist, bleibt es eher an Ort und Stelle, wenn es in den Körper eines Patienten eingeführt wird, und es könnte das Wachstum von Nervenzellen wochenlang statt tagelang stimulieren.
Acetylcholin, der Neurotransmitter, auf den sich die Forscher konzentrierten, ist einer der am häufigsten vorkommenden. Wie alle Neurotransmitter überträgt, verstärkt und moduliert es Signale, die zwischen Neuronen gesendet werden. Seit Jahren ist bekannt, dass Acetylcholin das Wachstum der informationstragenden Projektionen oder Neuriten eines Neurons stimuliert: des einsamen langen Senders namens Axon und der vielen kurzen Empfänger namens Dendriten. Aber die körpereigenen Enzyme spalten Acetylcholin in weniger als einer Sekunde nach dem Nachweis auf, da zu viel Acetylcholin giftig ist und Neuriten hemmt.
Um ihrer Acetylcholin-ähnlichen Chemikalie eine kontrollierte Langzeitwirkung zu verleihen, befestigten die Forscher sie an einem Material, das Enzyme nicht zerlegen können: einem flexiblen und biologisch abbaubaren Polyester. Wang merkt an, dass andere chemische Botenstoffe an das Polymerrückgrat gebunden werden können und dass die gesamte Anordnung nach mehreren Wochen zusammenbricht.
Wang und Gumera legten ein kleines Stück Rattennerv und sein umgebendes Gewebe auf das Polymer und maßen die Nervenlänge über die nächsten vier bis sechs Tage. Die Neuriten wuchsen sechs Tage lang stetig, dann begannen sie sich zu verlangsamen. Der längste produzierte Neurit war mehr als fünf Millimeter lang, mit einer maximalen Wachstumsrate von 0,7 Millimetern pro Tag.
Wang und Gumera testeten auch Materialien, bei denen ihr Acetylcholin-Stellvertreter – bekannt als acetylcholinähnliche funktionelle Gruppe – und das Polymer in unterschiedlichen Verhältnissen kombiniert wurden. Das Neuritenwachstum nahm mit der Konzentration der funktionellen Gruppe bis zu 70 Prozent zu. Materialien mit Konzentrationen der funktionellen Gruppe von mehr als 70 Prozent hemmten das Neuritenwachstum. Die Forscher testeten das Polymer auch gegen Laminin, den Goldstandard für das Neuritenwachstum, so Wang, und das durch beide Materialien induzierte Neuritenwachstum war nahezu gleich. Wang plant, mit der Arbeit an einem Polymer mit funktionellen Gruppen zu beginnen, die sowohl Acetylcholin als auch Laminin nachahmen, von denen er hofft, dass sie eine noch stärkere Wirkung haben.
Wang arbeitet auch daran, das Polymer in Konfigurationen herzustellen, die therapeutisch nützlicher wären. Im Moment haben wir nur eine flache Polymerschicht, sagt er. Als nächstes versuchen wir, das Polymer zu Nano- oder Submikrofasern zu spinnen. Da das Polymer aus Polyester besteht, sollte es einfach sein, es in andere Formen zu manipulieren, sagt Schmidt von der University of Texas.
Unter den richtigen Umständen sind verletzte Neuronen zu einer gewissen Regeneration fähig, aber Narbengewebe hemmt ihr Wachstum. Wang, der seit mehr als drei Jahren an der Polymerforschung arbeitet, glaubt, dass Chirurgen eines Tages Fasern eines mit Wachstumsförderern besetzten Polymers durch Narbengewebe fädeln könnten, um Neuriten in eine Umgebung zu führen, in der sie aus eigenem Antrieb weiterwachsen können . Sobald Sie die richtige Umgebung erreicht haben, wird das Neuron sehr gut wachsen, sagt er. Ein paar Millimeter der chirurgisch eingeführten Faser würden ausreichen, um die abstoßende Wirkung von Narbengewebe zu überwinden.
Um neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer zu behandeln, hofft Wang, das Polymer nutzen zu können, um effizienter Neuronen zu erzeugen, die in Patienten transplantiert werden könnten.
Eine therapeutische Anwendung des Neurotransmitter nachahmenden Polymers ist jedoch noch Jahre entfernt. Neue Materialien mit unterschiedlichen Funktionalitäten zu entwickeln, sei hart, sagt Schmidt. Dies könnte jedoch zu neuen Ergebnissen führen. Es gibt viel Potenzial.