Eine künstliche Hornhaut ist dank biomimetischer Hydrogele in Sicht

Eine künstliche Hornhaut ist dank biomimetischer Hydrogele in Sicht

Video: Augenlicht dank künstlicher Netzhaut - FUTUREMAG - ARTE (April 2020).

Anonim

Wenn Augen "die Fenster der Seele" sind, sind Hornhäute die Scheiben in diesen Fenstern. Sie schützen das Auge vor Staub und Keimen. Sie wirken auch als äußerste Linse des Auges und tragen bis zu 75 Prozent zur Fokussierungskraft des Auges bei. Am 11. September wird der Chemieingenieur Curtis W. Frank auf der Jahrestagung der American Chemical Society in San Francisco ein neuartiges biomimetisches Material vorstellen, das seinen Weg in künstliche Hornhäute findet. Es ist ein Hydrogel oder Polymer, das viel Wasser enthält. Dieses Material kann eine neue Sichtweise für mindestens 10 Millionen Menschen auf der ganzen Welt versprechen, die aufgrund einer Hornhautverletzung oder einer Hornhauterkrankung blind sind, oder für viele weitere Millionen, die aufgrund einer Hornhautverletzung kurzsichtig oder weitsichtig sind.

Das Material mit der Bezeichnung Duoptix (TM) kann bis zu einem Wassergehalt von 80 Prozent quellen - ungefähr so ​​viel wie biologisches Gewebe. Es besteht aus zwei miteinander verwobenen Netzwerken von Hydrogelen. Ein Netzwerk aus Polyethylenglykolmolekülen widersteht der Ansammlung von Oberflächenproteinen und Entzündungen. Das andere Netzwerk besteht aus Molekülen von Polyacrylsäure, einem Verwandten des superabsorbierenden Materials in Windeln.

"Denken Sie an ein Fischernetz, aber denken Sie an ein 3-D-Fischernetz", sagt Frank, der Seniorprofessor für Ingenieurwissenschaften bei WM Keck und mit freundlicher Genehmigung ein Professor für Chemie sowie für Materialwissenschaften und -technik. "Es ist ein starkes, dehnbares Material." Das macht es in der Lage, das Nähen während der Operation zu überleben. Das biokompatible Hydrogel ist transparent und durchlässig für Nährstoffe wie Glukose, das Lieblingsfutter der Hornhaut.

Mitarbeiter der Hydrogel-Arbeit, die Frank auf der Tagung der Chemiker vorstellt, sind Marianne E. Harmon, eine ehemalige Stanford-Doktorandin, die jetzt beim GE Corporate Research Lab in Schenectady, NY, arbeitet; Dirk Kucklung, Assistenzprofessor am Institut für Polymerwissenschaften in Dresden; Wolfgang Knoll, Direktor des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz; und David Myung, ein Medizinstudent, der gemeinsam in Franks Labor im Fach Chemieingenieurwesen promoviert.

Das von Stanfords interdisziplinärem Biowissenschaftsprogramm Bio-X finanzierte Projekt von Myung bestand darin, eine biotechnologisch hergestellte Hornhaut auf der Basis des dualen Netzwerk-Hydrogels zu entwerfen, herzustellen und zu charakterisieren. Das Ergebnis war eine Scheibe mit einem klaren Zentrum und winzigen Poren, die die Peripherie bevölkerten. Myung nennt die in seine künstliche Hornhaut eingearbeiteten Poren die "Häuser", die er für Zellen gebaut hat, die die künstliche Linse infiltrieren und in das umgebende natürliche Gewebe integrieren müssen.

"Wenn Sie es bauen, werden sie kommen", sagt Myung. "Die Zellen ziehen ein, und sie bringen Möbel mit - das heißt, das Kollagen, das sie ausscheiden. Sie wandeln sich sogar um." Kollagen bindet sich an den Rand der synthetischen Scheibe und bildet eine Verbindung zwischen natürlichem und synthetischem Gewebe. Dann wächst eine klare Schicht von Epithelzellen über der Scheibe.

"Breit interdisziplinär"

Stanfords Programm zur Entwicklung einer künstlichen Hornhaut sei "weitgehend interdisziplinär", sagt Frank. Christopher Ta, Assistenzprofessor für Augenheilkunde und Assistenzarzt für Augenheilkunde am Stanford University Medical Center, leitet die Bemühungen mit Frank. Laut Ta haben Wissenschaftler seit einem halben Jahrhundert versucht, künstliche Hornhäute zu entwickeln, aber Prototypen wurden nicht gut vertragen. Infektionen entwickelten sich um Implantate. Augen extrudierten Implantaten. Vor einigen Jahren begann Ta in einer Pilotstudie für ein Bio-X-Stipendium, um den Proof of Concept zu belegen, das Hydrogel in Tests zu testen, um sicherzustellen, dass es für Zellen nicht toxisch ist. Bald kamen weitere Experten hinzu. Jaan Noolandi in Ophthalmology leitete Projekte, arbeitete mit potenziellen Sponsoren zusammen und gewährte Einblicke in die Polymerphysik. Nabeel Farooqui aus der Augenheilkunde entwickelte histologische Verfahren. Won-Gun Koh, ein ehemaliger Postdoc in Chemieingenieurwesen, synthetisierte zuerst das Polymer, das Myung letztendlich entwickelte. Qi Liao, ein Doktorand in Chemieingenieurwesen, trug zu einem allgemeinen Verständnis der Hydrogele bei. Jennifer Cochran, Assistenzprofessorin in der Bioengineering-Abteilung, untersucht, wie die epitheliale Adhäsion am Material maximiert werden kann. Michael Carrasco, Peptidchemiker an der Santa Clara University, beriet sich über Oberflächenmodifikationen für die Zelladhäsion.

Die Forscher testen das Material nun in Tiermodellen auf Biokompatibilität. Tiere haben künstliche Hornhäute ohne Probleme in den Versuchen bis zu acht Wochen geduldet, sagt Ta. Das Material bleibt vollkommen klar, sagt er. Längere Versuche sind ein nächster Schritt.

Die derzeitige Gewebequelle für Hornhauttransplantationen sind Leichen. Laut Ta hat Spendergewebe Probleme, darunter eine Abstoßungsrate von etwa 20 Prozent und ein Zeitraum für die Wiederherstellung des Sehvermögens von sechs Monaten bis zu einem Jahr. "Mit einer künstlichen Hornhaut erhält man eine vorhersehbarere Form", sagt Ta.

"In vielen Ländern ist die Verfügbarkeit von Gewebe ein Problem", sagt er. "Wenn das Gewebe künstlich ist, müssen wir uns nicht auf Spendergewebe verlassen." Die hohe Prävalenz von laserunterstützten In-situ-Keratomileusis- oder LASIK-Augenoperationen kann zur Knappheit von Spendergewebe in Industrienationen beitragen, da diese Operation die Spende disqualifiziert. Eine künstliche Hornhaut aus Gewebezüchtung könnte den Bedarf an Spendergewebe verringern oder beseitigen.

Mindestens ein Dutzend Gruppen weltweit arbeiten daran, künstliche Hornhäute zu entwickeln, sagt Myung. "Es sind nur zwei oder drei auf dem Markt, aber sie werden nur in den letzten Versuchen eingesetzt [wenn Transplantationen abgelehnt werden]", stellt er fest. Stanfords künstliche Hornhaut ist "die biomimetischste", sagt er, mit einer Wasserkonzentration und mechanischen Eigenschaften, die denen der natürlichen Hornhaut in nichts nachstehen.

"Der Traum wäre es, einen Hornhautersatz zu haben, der sterilisiert und dehydriert und ins Krankenhaus oder auf das Schlachtfeld geschickt und rehydriert wird", sagt Frank.

Jenseits der Blindheit

Andere Augenanwendungen des Hydrogels umfassen bequemere Kontaktlinsen. Onlays von Hydrogel-Linsen auf der Oberfläche der Hornhaut könnten als Kontaktlinsen mit längerem Tragen dienen.

Inlays sind ebenfalls möglich. Die Hornhaut enthält Schichten - eine obere Schicht aus schützenden Epithelzellen, eine mittlere Schicht namens Stroma, die die Kollagenmatrix bereitstellt, die der Hornhaut ihre Form verleiht, und eine innerste Endothelschicht. Mit Inlays kann ein Teil der Epithelschicht abgekratzt und durch eine Hydrogel-Kontaktlinse ersetzt werden. Die Linse wird biointegriert, wenn klare Epithelzellen über der eingelegten Linse wachsen.

Inlays bieten einen Vorteil gegenüber LASIK-Operationen, die funktionieren, aber nicht reversibel sind, sagt Myung. Er stellt sich implantierbare Kontaktlinsen vor, die ausgetauscht werden können, wenn sich das Rezept ändert.

Hydrogel-Linsen können sogar tiefer in das Auge eindringen und ersetzen Augenlinsen, die durch Katarakte geschädigt sind.

Die Forscher haben vier Patente für Augenanwendungen des Hydrogels angemeldet.

Quelle: Stanford University