Sauerstofflieferndes Gel heilt chronische Wunden bei Mäusen

Da alternde Bevölkerungen und steigende Diabetesraten zu einer Zunahme chronischer Wunden führen, sind immer mehr Patienten dem Risiko einer Amputation ausgesetzt. Forscher von UC Riverside haben ein sauerstofflieferndes Gel entwickelt, das Verletzungen heilen kann, die andernfalls zum Verlust von Gliedmaßen führen könnten.

Verletzungen, die länger als einen Monat nicht heilen, gelten als chronische Wunden. Weltweit sind jedes Jahr schätzungsweise 12 Millionen Menschen davon betroffen, in den USA etwa 4,5 Millionen. Davon wird etwa jeder fünfte Patient letztendlich eine lebensverändernde Amputation benötigen.

Das neue Gel, das in Tiermodellen getestet wurde, zielt auf das, was Forscher für eine Grundursache vieler chronischer Wunden halten: einen Sauerstoffmangel in den tiefsten Schichten des geschädigten Gewebes. Ohne ausreichend Sauerstoff verharren Wunden in einem anhaltenden Entzündungszustand, wodurch Bakterien gedeihen und das Gewebe sich verschlechtert, anstatt sich zu regenerieren.

„Chronische Wunden heilen nicht von selbst“, sagte Iman Noshadi, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an der UCR, der das Forschungsteam leitete.

Die Heilung chronischer Wunden erfolgt in vier Phasen: Entzündung, Vaskularisierung, bei der das Gewebe beginnt, Blutgefäße zu bilden, Umbau und Regeneration oder Heilung. In jedem dieser Stadien ist das Fehlen einer stabilen, konsistenten Sauerstoffversorgung ein großes Problem.“

Iman Noshadi, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen, UCR

Wenn Sauerstoff aus der Luft oder dem Blutkreislauf nicht weit genug in das verletzte Gewebe eindringen kann, kommt es zu Hypoxie, die die normale Heilung beeinträchtigt. Der Ansatz der Forscher zur Vorbeugung von Hypoxie mit einem Gel wird in einem in Nature Communications Material veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben.

Das weiche, flexible Gel enthält Wasser sowie eine Flüssigkeit auf Cholinbasis, die antibakteriell, ungiftig und biokompatibel ist. In Verbindung mit einer kleinen Batterie, ähnlich denen, die in Hörgeräten verwendet werden, wird das Gel zu einer winzigen elektrochemischen Maschine, die Wassermoleküle spaltet, um einen langsamen, gleichmäßigen Sauerstoffstrom zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Behandlungen, die Sauerstoff nur an der Oberfläche abgeben, passt sich das Gel der einzigartigen Form jeder Wunde an und füllt Spalten, in denen der Sauerstoffgehalt häufig am niedrigsten und das Infektionsrisiko am höchsten ist. Vor dem Aushärten passt sich das Material präzise den Konturen des beschädigten Gewebes an.

Ebenso wichtig ist, dass die Sauerstoffzufuhr kontinuierlich erfolgt. Die Vaskularisierung kann Wochen dauern, daher reichen kurze Sauerstoffstöße nicht aus. Das neue System kann einen anhaltenden Sauerstoffgehalt für bis zu einem Monat bereitstellen und dabei helfen, eine nicht heilende Wunde in eine Wunde zu verwandeln, die sich wie eine normale Verletzung verhält.

In Tests an diabetischen und älteren Mäusen, die ausgewählt wurden, weil ihre Wunden chronischen Wunden bei älteren Menschen sehr ähneln, heilten unbehandelte Verletzungen nicht und endeten oft tödlich. Nachdem das sauerstofferzeugende Pflaster wöchentlich angebracht und ausgetauscht wurde, schlossen sich die Wunden in etwa 23 Tagen und die Tiere überlebten.

„Wir könnten dieses Pflaster als ein Produkt herstellen, bei dem das Gel möglicherweise regelmäßig erneuert werden muss“, sagte Prinz David Okoro, Doktorand der UCR-Biotechnik in Noshadis Labor und Mitautor der Arbeit.

Die Chemie des Gels bietet einen zusätzlichen Vorteil. Cholin, ein Schlüsselbestandteil, hat Eigenschaften, die dabei helfen, das Immunsystem zu modulieren und übermäßige Entzündungen zu beruhigen. Chronische Wunden werden häufig durch reaktive Sauerstoffspezies überlastet, bei denen es sich um instabile Moleküle handelt, die Zellen schädigen und Entzündungen verlängern. Durch die Erhöhung des stabilen Sauerstoffs und die Eindämmung dieser Überreaktion des Immunsystems stellt das Gel das Gleichgewicht wieder her, anstatt weiteren Stress auszulösen.

„Es gibt Bandagen, die Flüssigkeit absorbieren, und einige, die antimikrobielle Wirkstoffe freisetzen“, sagte Okoro. „Aber keiner von ihnen befasst sich wirklich mit Hypoxie, die das grundlegende Problem darstellt. Wir gehen das direkt an.“

Die Auswirkungen dieses Projekts gehen über die Wundversorgung hinaus. Sauerstoff- und Nährstoffmangel sind große Herausforderungen bei Versuchen, Ersatzgewebe oder Organe zu züchten, was eines der Hauptziele des Noshadi-Labors ist.

„Wenn die Dicke eines Gewebes zunimmt, ist es schwierig, das Gewebe mit dem zu versorgen, was es braucht, sodass Zellen absterben“, sagte Noshadi. „Dieses Projekt kann als Brücke zur Schaffung und Erhaltung größerer Organe für Menschen gesehen werden, die diese benötigen.“

Es gibt einige Faktoren, die zur Entstehung chronischer Wunden führen, die nicht mit einem Gel behandelt werden können. Baishali Kanjilal, UCR-Bioingenieur und Co-Autor des Artikels, weist neben den steigenden Diabetesraten und der Alterung der Bevölkerung auf weitere Faktoren hin.

„Unser bewegungsarmer Lebensstil führt dazu, dass unsere Immunantwort nachlässt“, sagte sie. „Es ist schwierig, an die gesellschaftlichen Wurzeln unserer Probleme heranzukommen. Aber diese Innovation stellt eine Chance dar, Amputationen zu reduzieren, die Lebensqualität zu verbessern und dem Körper das zu geben, was er zur Selbstheilung braucht.“

Quellen: