Das dynamische Potenzial von immunsicheren 2D-Werkstoffen für biomedizinische Anwendungen
Zweidimensionale (2D) Werkstoffe haben sich in der biomedizinischen Forschung aufgrund der einzigartigen strukturellen und funktionellen Eigenschaften als leistungsstarke Werkzeuge erwiesen. Sie sind meist als dünne Schichten strukturiert und weisen eine außergewöhnliche Oberfläche, hohe elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und anpassbare chemische Eigenschaften auf. Sie sind außerdem biokompatibel und können mit biologischen Molekülen und Zellen interagieren. Insgesamt sind 2D-Werkstoffe also äußerst vielseitig und können für zahlreiche gesundheitsbezogene Anwendungen angepasst werden, von der gezielten Wirkstoffabgabe und Biosensorik bis zur Gewebetechnik und regenerativen Medizin.
Interaktion von MXenen mit dem Immunsystem
Unterstützt über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen ging es im Projekt SEE um MXene, also 2D-Strukturen aus Kohlenstoff und Übergangsmetallen mit bemerkenswertem biomedizinischem Potenzial. MXene können je nach Anwendung das Immunsystem modulieren und mit ihm interagieren. Sie könnten also eingesetzt werden, um eine günstige Immunaktivierung zu fördern, beispielsweise bei der Wundheilung, für die Immunzellen bei der Gewebereparatur entscheidend sind. Gleichzeitig könnten bei Erkrankungen, bei denen das Immunsystem gehemmt werden muss, mit MXenen Entzündungen gelindert werden. Durch diese dualen Einsatzmöglichkeiten von MXenen kommen jedoch Bedenken über schädliche Entzündungsreaktionen oder andere nachteilige Auswirkungen auf das Immunsystem auf. „Wir wollten herausfinden, wie MXene mit Immun- und Hautzellen interagieren, um sichere Werkstoffe für die klinische Anwendung zu gestalten“, erklärt die Projektleiterin Lucia Gemma Delogu.
Fortgeschrittene Verfahren zur Sicherheitsprüfung von MXenen
Das SEE-Projektteam hat verschiedene ausgefeilte Verfahren eingesetzt, um die Interaktionen der MXene zu prüfen. Aus Ex-vivo- und In-vivo-Assays mit primären Immunzellen und menschlichen Hautmodellen wurden wichtige Daten zur Zytotoxizität, der Immunzellaktivierung und der Zytokinfreisetzung generiert. Für präzise Ergebnisse mit hoher Auflösung setzte das Team Einzelzell-Zytometrie mit Flugzeit-Massenspektrometrie CyTOF ein, bei der anhand metallmarkierter Antikörper mehrere Zellmarker analysiert und Immunzellprofile erstellt werden. Die Forschenden kombinierten CyTOF mit Ionenstrahlbildgebung nach Flugzeit (MIBI-TOF), um MXene mit Gewebe zu visualisieren und ihre Verteilung und zellulären Interaktionen zu bestimmen. Das SEE-Team hat CyTOF und MIBI-TOF erstmals mit einer markierungsfreien Strategie namens LINKED eingesetzt und so einen neuen Standard für die Hochdurchsatz-Einzelzellanalyse und zur Prüfung der Biokompatibilität von 2D-Werkstoffen gesetzt. So konnten die Forschenden die MXene-Interaktionen an verschiedenen Zelltypen und Gewebearten untersuchen und eine einzigartige Perspektive auf das Potenzial von MXenen in der klinischen Anwendung eröffnen. MXene erwiesen sich als biokompatibel für Hautanwendungen und zur Förderung der Wundheilung, ohne dass epidermale Keratinozyten beschädigt werden. Diese fehlende Zytotoxizität ist entscheidend, um die Hautgesundheit bei kosmetischen und biomedizinischen Anwendungen zu wahren.
Strategische Bedeutung und künftige Ausrichtung
„Die Erkenntnisse durch die LINKED-Strategie tragen nicht nur zum Wissen über MXene in der Biomedizin bei, sondern auch zur Gestaltung von 2D-Werkstoffen mit anpassbaren Immuneigenschaften“, betont Delogu. Das Projekt hat das Interesse von Industriepartnern geweckt. Durch die ersten Ergebnisse zur Sicherheit von MXenen konnte eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht werden, ein entscheidender Schritt für die Kommerzialisierung. Mit dem Multiplex-LINKED-Verfahren können auch weitere 2D-Werkstoffe für die biomedizinische Forschung und Anwendungen über das Gesundheitswesen hinaus bestimmt werden, zum Beispiel für die Katalyse, Energiespeicherung und künstliche Intelligenz.
Schlüsselbegriffe
SEE, MXene, 2D-Werkstoffe, CyTOF, Immunzellen, MIBI-TOF, Hautzellen