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Kleine, künstliche Blutgefäße sollen Herz-Bypass-Patienten Hoffnung geben. Das Problem ist, dass diese winzigen synthetischen Gefäße zum Verstopfen neigen. Nun, biomedizinischer Ingenieur Donald Elbert und sein Team an der Washington University in St. Louis ein neues Material entwickelt, das den Körper dazu bringen soll, aus seinen eigenen Zellen Gefäße zu bauen.

Bioingenieure der Washington University gehen davon aus, dass das hier abgebildete Gel eines Tages ein Gerinnungsproblem in kleinen künstlichen Blutgefäßen lösen wird. Das Gel, das aus Proteinfragmenten (blaue Rechtecke), dem Blutprotein Albumin (graue Büschel), einem Signallipid (gelbe Flecken) und einem synthetischen Polymer (blaue Sterne) besteht, würde Endothelzellen (grauer Klumpen) anlocken, die den Menschen auskleiden Blutgefäße, um das Innere künstlicher Gefäße zu besiedeln.

Die Wurzel des Verstopfungsproblems ist die Thermodynamik, sagt Elbert. Wenn ein Gefäß aus modifiziertem Teflon – oder etwas anderem als körpereigenen Zellen – besteht, stoßen Gerinnungsproteine ​​im Blut an die Gefäßwände, kleben, entfalten sich und werden aktiv und lösen Gerinnungsreaktionen aus. Die Gerinnsel sind zu klein, um große Gefäße zu blockieren, und tatsächlich sind Teflon-Aorten häufig. Aber in Gefäßen mit einem Durchmesser von weniger als sechs Millimetern bilden Gerinnsel Verstopfungen. Folglich können Herz-Bypass-Patienten keine kleinen künstlichen Gefäßimplantate erhalten. Stattdessen müssen dem Körper des Patienten kleine Gefäße entnommen werden, damit das Blut umgeleitet werden kann. Dies ist eine zusätzliche Operation, und schließlich können dem Patienten die Gefäße ausgehen, um sie zu ernten.



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  • ANIMATION: Endothelzellen auf Gel

Die Lösung von Elbert ist eine neuartige Beschichtung für das Innere künstlicher Gefäße. Es besteht hauptsächlich aus Substanzen, die im menschlichen Körper vorkommen. Polyethylenglykol, der einzige synthetische Inhaltsstoff, ist ein vielarmiges Polymer, das in Zahnpasta und Shampoo verwendet wird. Wenn es Blut ausgesetzt ist, stößt es fast alle Gerinnungsproteine ​​​​ab, die versuchen, daran zu haften. Albumin, ein Blutprotein, ist enthalten, um Polyethylenglykole miteinander zu verbinden. Die Arme von Polyethylenglykol sind mit zwei biologisch aktiven Inhaltsstoffen verbunden. Einer der Inhaltsstoffe ist ein Proteinfragment, das wie ein Klettband wirkt und Endothelzellen, die menschliche Blutgefäße auskleiden, an die künstliche Auskleidung bindet. Der andere bioaktive Inhaltsstoff ist ein Enzym im Blut, das eine Fettsubstanz oder ein Lipid aus dem Blutkreislauf aufnehmen und in ein Lipid namens Sphingosin-1-Phosphat umwandeln kann, das Wachstums- und Überlebenssignale an Endothelzellen sendet.

Die Zubereitung ist einfach, sagt Elbert. Alle Zutaten werden in Wasser gemischt und über Nacht stehen gelassen. Am Morgen bilden sie ein Gel.

Elbert stellt sich vor, dass dann ein mit der Beschichtung ausgekleidetes synthetisches Transplantat in ein bestehendes Blutgefäß eingenäht werden könnte. Polyethylenglykol würde die meisten Gerinnungsproteine ​​für einige Zeit abstoßen. In der Zwischenzeit würde das Enzym das Lipid bilden und freisetzen, das Endothelzellen signalisiert und sie dazu anregt, an den Transplantaträndern zu wachsen. Die Proteinfragmente würden die Zellen an der Oberfläche halten. Das Gel würde mehr Lipid freisetzen und den Zellen signalisieren, sich zu teilen und zu kolonisieren. Nach ein oder zwei Monaten wäre die gesamte Innenfläche des Transplantats hoffentlich mit einer Zellschicht ausgekleidet, sagt Elbert. Die Zellen würden Chemikalien ausstoßen, um die Gerinnung zu verhindern, wie sie es natürlich im Körper tun.

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Andere Forscher bekämpfen das Gerinnungsproblem auf unterschiedliche Weise, stellt Elbert fest. Viele Leute versuchen, Blutgefäße durch Tissue Engineering herzustellen, sagt er. Gewebeingenieure entfernen Zellen aus den Gefäßen eines Patienten, züchten sie auf einem porösen Röhrchen und pflegen die Struktur, bis sie stark genug ist, um sie wieder zu implantieren. Gerinnsel verstopfen diese Gefäße nicht, da sie mit Endothelzellen ausgekleidet sind. Das funktioniert, sagt Elbert. Aber die Züchtung eines menschlichen Blutgefäßes in einem Labor ist langsam und unglaublich teuer. Und die Gefäße können zerbrechlich sein – der Blutfluss kann Zellen abreißen und Gerinnsel verursachen. Andere haben versucht, synthetische Gefäße aus gerinnungsbeständigen Materialien herzustellen. Diese sind günstig und robust. Und sie widerstehen für einige Zeit Gerinnseln. Aber nach mehreren Jahren können sie verstopfen. Keine der Methoden war bei Tieren vollständig erfolgreich.

Im Gegensatz zu anderen Alternativen, sagt Elbert, wären Gefäße, die mit dem Material seines Teams ausgekleidet sind, billig, einfach, langlebig, gerinnungsfrei und nicht immunogen. Bisher hat sein Gel erste Tests im Labor bestanden. Endothelzellen wandern schnell auf das Gel. Die Zellen kleben daran, sogar innerhalb einer Strömungskammer, die die Scherkraft des Blutflusses simuliert.

Elbert fügt hinzu, dass das Gel seines Teams dem Körper auch helfen kann, neue Gefäßnetzwerke aufzubauen. Aus damit behandelten Hühnerei-Membranen wuchsen neue Gefäßnetze. Man könnte sich vorstellen, das Material nach einem Herzinfarkt neben das Herz zu legen, so dass das Lipid in die Herzwand diffundieren und neue Gefäße bilden würde, die dem Herzen beim Überleben helfen würden, sagt er.

Es ist viel zu früh, um zu wissen, wie sich die Gefäße oder das Gel von Elbert im menschlichen Körper verhalten werden, warnt Robert Langer , Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen am MIT. Viele Formulierungen haben im Labor vielversprechend ausgesehen, nur um bei Tieren zu versagen, sagt er. Der Schlüssel sind Tierversuche, insbesondere an Schweinen.

Sicherheit ist auch ein Anliegen, fügt hinzu Omolola Eniola-Adefeso , Assistant Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Michigan. Sie befürchtet, dass Elberts Lipid, das viele Signale im Körper sendet, normale Körperprozesse stören könnte.

Man muss äußerst vorsichtig sein, stimmt Elbert zu. Große Mengen des Lipids können das Immunsystem unterdrücken und den Zelltod auslösen. Er plant zu bestimmen, wie viel er liefern kann, um Endothelzellen ohne Überlastung zu stimulieren. Tests an Tieren werden 2007 beginnen und mindestens vier Jahre dauern, sagt er.

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Was das Gerinnungsproblem angeht, so arbeiten so viele Ingenieure daran, wie es im ganzen Land Abteilungen für Biotechnologie gibt, sagt Eniola-Adefeso. Bisher sei Elberts Ansatz der erfolgversprechendste Ansatz, sagt sie.

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