Bioingenieurwesen Forschende lassen verletzte Muskeln nachwachsen

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Bei schweren Muskelverletzungen tut sich der Körper oft schwer, sich selbst zu heilen: Es entsteht Narbengewebe, das die Beweglichkeit einschränkt. Forscher der University of Oregon entwickeln mikroskopische Gerüste, die die Muskeln dazu anregen, funktionsfähiges Gewebe zu regenerieren.

Die Regeneration von Muskeln ist kein einfacher Vorgang. Muskeln sind komplexe Strukturen, die aus Tausenden präzise angeordneter Faserbündel bestehen, die sich aus verschiedenen Proteinen wie Aktin und Myosin zusammensetzen und zusammenarbeiten müssen, um sich zusammenzuziehen und zu bewegen.Aktuelle Ansätze wie Muskeltransplantationen scheitern oft, weil sie sich nur schwer in die Struktur des vorhandenen Muskels integrieren lassen, was häufig zu viel Narbengewebe und Funktionsbeeinträchtigungen führt.

Forscher am Knight Campus der University of Oregon unter der Leitung von Alycia Galindo, Doktorandin im Labor von Marian Hettiaratchi, entwickeln dafür eine Lösung: mikroskopisch kleine Gerüste, die Muskelzellen dazu anregen, organisiertes, funktionsfähiges Gewebe zu regenerieren. 

Ein Gerüst als Wegweiser für Zellen

Alycia Galindo, Doktorandin der Bioingenieurwissenschaften im Labor von Marian Hettiaratchi, wollte diese Herausforderung bewältigen, indem sie regenerierenden Muskelzellen mikroskopisch kleine Gerüste zur Verfügung stellte, denen sie bei ihrer Regeneration folgen konnten. Die Idee dahinter ist, dass diese winzigen Gerüste den Zellen eine Art Wegweiser bieten, dem sie bei ihrer Regeneration folgen können, um schließlich die komplexe Struktur eines ausgereiften Muskels zu bilden und hoffentlich eine bessere funktionelle Wiederherstellung zu ermöglichen.
Galindo und Kelly O'Neill, auch Doktorandin am Knight Campus, nutzen die von Paul Dalton entwickelte Melt Electrowriting (MEW) Technologie. MEW ist eine Mikro-3D-Drucktechnik, die es ermöglicht, mikroskopische Gerüste mit präzisen Geometrien herzustellen. Dabei werden biokompatible Polymere geschmolzen und elektrisch zu feinen Fasern gezogen, um sie schichtweise in dreidimensionale Strukturen zu formen.

Wachstum mithilfe physikalischer und chemischer Signale

Galindo begann damit, sich entwickelnde Muskelzellen, sogenannte Myoblasten, auf MEW-Strukturen zu züchten, die wie winzige Gitter aussehen. Sie testete verschiedene Gerüstdicken zwischen 10 und 30 Mikrometern (etwa 1/10 der Breite eines menschlichen Haares) und stellte fest, dass die Myoblasten auf den 20-Mikrometer-Strukturen am besten wuchsen. Diese Größe funktionierte wahrscheinlich am besten, da sie dem Durchmesser von Muskelzellen sehr nahe kommt. Obwohl sich einige Zellen an den MEW-Gerüsten anlagerten und wuchsen, gab es noch Verbesserungspotenzial.
„Wir dachten, dass die Kombination von MEW-Strukturgerüsten mit biochemischen Signalen sehr wirkungsvoll sein könnte“, sagt Marian Hettiaratchi, Associate Professor für Bioingenieurwesen und leitende Autorin der Studie. „Zellen reagieren sowohl auf physikalische als auch auf chemische Signale in ihrer Umgebung. Die Kombination von physikalischen und chemischen Signalen könnte den Muskelzellen wirklich helfen.“

Hyaluronsäure fördert Zellwachstum

Galindo beschichtete die MEW-Gerüste mit Hyaluronsäure, um die Zellumgebung zu optimieren und das Zellwachstum zu fördern. Im Vergleich zu unbeschichteten Gerüsten zeigte sich eine verbesserte Zellanhaftung und ein gesteigertes Wachstum von Myoblasten. Sie fügte zudem RGD-Moleküle hinzu, die die Adhäsion weiter steigerten und die Myoblasten dazu brachten, sich organisierter auszurichten und zu differenzieren.
Diese Technologie bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Muskelregeneration bei großen Verletzungen. Geplant ist, dass zukünftige Anwendungen das Implantieren oder Injizieren eines Gels umfassen könnten, das sich im Körper zu einem Gerüst formt und nach und nach biochemische Signale freisetzt. So kann sich der verletzte Muskel schrittweise regenerieren, bis nur noch gesundes Gewebe verbleibt. 

Wir sind noch nicht so weit, aber wir haben gezeigt, dass man Gerüste im Mikromaßstab konstruieren kann, die Muskelzellen erkennen und auf die sie reagieren. Das ist ein entscheidender erster Schritt auf dem Weg zu Therapien, die nach schwerem Muskelverlust die Funktion wirklich wiederherstellen können.

Galindo