Erstes antimikrobielles Polypeptid-Hydrogel zur Unterstützung der Geweberegeneration
Unser Körper ist in der Lage, kleinere Verletzungen zu reparieren, solange der Schaden unterhalb einer kritischen Schwelle liegt. So werden beispielsweise Hautzellen nach kleinen Schnitten oder Verbrennungen ständig erneuert, und sogar Lebern können sich regenerieren. Doch wenn sich Gewebe regeneriert, ist es sehr anfällig für mikrobielle Infektionen, die manchmal lebensbedrohliche Folgen haben. Zwar kann dies durch Antibiotika entschärft werden, doch die antimikrobielle Resistenz (AMR) verringert zunehmend deren Wirksamkeit. Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist die Geweberegeneration, die durch Gerüste erleichtert wird, die sowohl mechanische Unterstützung und Form für das Zellwachstum bietet als auch die für das Wachstum erforderliche Umgebung, die die notwendigen Nährstoffe und pH-Werte bereitstellt. „Hydrogele aus natürlichen Polymeren wie Kollagen und Gelatine sind die gebräuchlichsten Gerüstmaterialien, da sie unsere natürliche extrazelluläre Matrix nachahmen, aber sie besitzen keine antimikrobiellen Eigenschaften“, erklärt Andreas Heise, Koordinator des Projekts GelPrint, das mit Unterstützung über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde. GelPrint untersuchte Hydrogele aus neuartigen sternförmigen Polypeptiden mit acht Armen, die eine Kombination aus den Aminosäuren Cystein, Lysin und Tyrosin in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten, um überlegene antimikrobielle Gerüstmaterialien zu schaffen.
Erstellung einer Hydrogel-Bibliothek
Der Vorteil des GelPrint-Ansatzes besteht darin, dass die Sternpolypeptide durch schnelle Polymerisationsverfahren gewonnen werden können. Das Team fand heraus, dass ihre sternförmigen Polypeptide Hydrogele mit einem Wasseranteil von etwa 90 % bildeten – sehr nützlich für das Zellwachstum. „Wir haben ein antimikrobielles Hydrogel entworfen, das nur aus natürlichen Aminosäuren besteht – ein Polypeptid. Unsere Frage bestand darin, wie man diese Materialien chemisch so gestalten kann, dass sie alle gewünschten Eigenschaften vereinen“, fügt Heise vom Royal College of Surgeons in Ireland hinzu. Die GelPrint-Forschenden arbeiten gerne mit Polypeptiden, da diese leicht auf mehrere 100 Gramm hochskaliert werden können. Um jedoch ein Material zu konzipieren, das mehrere Eigenschaften kombiniert, müssen zunächst die zugrundeliegenden molekularen Strukturen enträtselt werden, die sie geschaffen haben. „Wir haben eine Struktur-/Eigenschaftskarte ausgearbeitet, um die besten Materialien zu identifizieren und zu erfahren, wie sich kleine strukturelle Veränderungen auf die Eigenschaften von Hydrogelen auswirken. Durch diesen iterativen Ansatz erhielten wir unsere Bibliothek von Polypeptidstrukturen“, sagt Heise. Anschließend testete das Team die rheologischen Eigenschaften der Hydrogele – wie sie auf Druck reagieren. Sie führten außerdem Zytotoxizitätsexperimente durch, um sicherzustellen, dass keine zellschädigenden Stoffe aus den Hydrogelen austreten, was sie bestätigten. „Aus diesen haben wir Kandidaten für antimikrobielle Tests ausgewählt. Spannenderweise zeigen die ersten Ergebnisse, dass unsere Auswahl das Wachstum von zwei Mikrobenstämmen verhindert hat“, erklärt Heise.
Einer zunehmenden Bedrohung begegnen
Die antimikrobielle Resistenz wird von der Weltgesundheitsorganisation als eine zunehmend ernste Bedrohung für die globale öffentliche Gesundheit angesehen. In der EU ist AMR für rund 33 000 Todesfälle jährlich verantwortlich. Abgesehen von den persönlichen Tragödien werden die Kosten für das Gesundheitswesen und die Produktivitätsverluste auf jährlich 1,5 Milliarden EUR geschätzt. „Unsere Hydrogele können als Creme, Salbe oder Verband zur Wundbehandlung eingesetzt werden. Für die Geweberegeneration könnten sie in 3D gedruckt werden, um die exakt benötigte Form zu erzeugen“, fasst Heise zusammen. Das Team hofft zudem, dass seine Arbeit zur Bestimmung neuer antimikrobieller Wirkstoffe beiträgt, gegen die Krankheitserreger keine Resistenz entwickeln können. Im Moment arbeitet das Team daran, die Besonderheiten der Mikrobenreaktion auf die Hydrogele besser zu verstehen, bevor es von Labormikroben zu klinischen Proben übergeht.
Schlüsselbegriffe
GelPrint, Hydrogel, antimikrobielle Resistenz, Polypeptid, Geweberegeneration, Infektion, Aminosäuren
