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Die sich selbst biegende Hornhaut

Kultivierung von 4D-Geweben

21.01.2019

cocoparisienne; pixabay.com; CC0

Auge, Symbolbild

Wissenschaftler der Newcastle University haben ein biologisches System entwickelt, das es den Zellen ermöglicht, durch Formen ihres umgebenden Materials eine gewünschte Form zu bilden - in erster Linie mit der Herstellung einer selbstkrümmenden Hornhaut.

Die Hornhaut ist die klare Außenschicht an der Vorderseite des Augapfels.

In der Forschung wurde ein flacher Gelkreis mit Hornhautstromzellen (Stammzellen) mit einem Serum aktiviert, so dass sich die Kanten des Gels mit einer anderen Geschwindigkeit als das Zentrum zusammenzogen und die Kante im Laufe von 5 Tagen zu einer schalenartig gekrümmten Hornhaut zusammenzogen.

Die Forschung wurde von Professor Che Connon, Professor für Tissue Engineering an der Newcastle University, geleitet. Er sagt: "Derzeit besteht ein Mangel an gespendeten Hornhäuten, der sich in den letzten Jahren verschlimmert hat, da sie von niemandem, der eine Augenlaseroperation hatte, verwendet werden können, weshalb wir Alternativen wie diese selbstbiegenden Hornhäute untersuchen müssen. Die Zellen werden zur Bildung einer komplexen 3D-Struktur ausgelöst, aber da dies Zeit benötigt, die vierte Dimension in dieser Gleichung, haben wir sie als 4D-Strukturen bezeichnet."

Die 4D-Bildung wird durch den innovativen Einsatz von Zellen als biologische Stellglieder erreicht, Komponenten, die die Teile in Bewegung bringen. In diesem Fall zwingen die Zellen selbst das umgebende Gewebe, sich im Laufe der Zeit auf eine vorgegebene Weise zu bewegen.

Das Gel, bestehend aus Kollagen und verkapselten Hornhautzellen, wurde in zwei konzentrischen Kreisen angelegt. Die Bildung der gekrümmten Form, die eine schalenartige Struktur aufweist, wurde durch Zugabe von Molekülen, den sogenannten Peptid-Amphiphilen, zu einem der beiden Kreise erreicht.

In einem Ring zogen die aktiven Zellen die innere Struktur des Gels (hohe Kontraktion), in dem anderen zogen sie diese peptidamphiphilen Moleküle (niedrige Kontraktion). Dieser Unterschied in der Kontraktion zwischen den beiden konzentrischen Ringen verursachte die Krümmung des Gels. Dies geschah, weil die Zellen es vorzogen, sich an die peptidamphiphilen Moleküle zu binden, anstatt an die innere Struktur der Gele.

Professor Connon fügte hinzu: "Da der gesamte Prozess von den Zellen selbst organisiert wurde, können wir sie uns als Biomaschinen vorstellen, die diese Strukturen von innen heraus umgestalten. Die Technologie und das Verständnis, das wir entwickelt haben, birgt enormes Potenzial, da diese Hornhäute zeigen, dass die veränderte Gewebeform durch Zellaktoren kontrolliert werden kann. Dies kann uns dazu veranlassen, uns eine Zukunft vorzustellen, in der ein solcher Ansatz mit der Schlüssellochchirurgie kombiniert werden kann, die es einem Chirurgen ermöglicht, Gewebe in einer Form zu implantieren, die sich dann zu einer komplexeren, funktionelleren Form im Körper entwickelt, die durch das Verhalten der Zellen selbst angetrieben wird".

Dr. Martina Miotto, Hauptautorin der Veröffentlichung, erklärte: "Dies ist ein wegweisendes Beispiel für die strenge Beziehung zwischen Form und Funktion, da die Forschung auch gezeigt hat, dass die biomechanischen und biofunktionalen Eigenschaften dieser 4D-Strukturen die des nativen Gewebes reproduzierten, mit undifferenzierten kornealen limbalen Epithelstammzellen, die sich im weicheren Limbus befinden, und dem differenzierten Epithel, das sich über den steiferen Mittelpunkt der vorderen Hornhaut erstreckt."

Das Team beabsichtigt, die Arbeit in den nächsten Jahren fortzusetzen, um die Technik als potenzielle Methode zur Herstellung von Hornhäuten für die menschliche Transplantation zu verfeinern.

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