Forscher erzeugen in vitro eine atmungsaktive Alveole

Forschern der Universität Zhejiang ist es gelungen, biomimetische Alveolen außerhalb des menschlichen Körpers zu konstruieren, die den Prozess der menschlichen Atmung nachbilden können.

Wie lassen sich die vielfältigen Verformungen der Alveolen im Körper simulieren? Wie baut man mit geeigneten Materialien eine Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche auf? Dies sind noch zu lösende Probleme bei der Konstruktion von Alveolarmodellen in vitro.

Inspiriert durch Scherenschnitt entwarf die Forschungsgruppe eine neuartige biomimetische kontrollierbare Dehnungsmembran (BCSM), um die alveoläre Basalmembran zu simulieren und so eine Luft-Blut-Schranke und biomimetische Atmung für die Zellmechanismusforschung und das Arzneimittelscreening zu realisieren.

Die Studie, veröffentlicht im Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing (IJEM) beschreibt detailliert die Methodik zur Erstellung der Struktur der alveolären Basalmembran und des biomimetischen Lungeneinheitsmodells, das die Simulation sowohl normaler als auch abnormaler Zustände der menschlichen Atmung ermöglicht. Die Forschung birgt ein erhebliches Potenzial für die Förderung der Entwicklung neuer Medikamente, das Verständnis der alveolären Entwicklung und die Identifizierung von Krankheitszielen.

„Chronische Atemwegserkrankungen gehören zu den vier häufigsten chronischen Krankheiten weltweit, was die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Lungenerkrankungen sowohl bedeutsam als auch wertvoll macht. Der Prozess der Entwicklung neuer Medikamente ist jedoch mit Herausforderungen verbunden, darunter hohe Risiken, lange Zeitpläne und erhebliche Kosten.“ „Die wichtigsten Fragen sind, wie man die Forschungs- und Entwicklungskosten senken, die Erfolgsquoten erhöhen und neue Methoden zur Arzneimittelbewertung entwickeln kann“, sagte Professor Yong He von der Zhejiang-Universität.

Das alveoläre mikrophysiologische System ist ein bahnbrechendes wissenschaftliches Werkzeug, das die Struktur der primären Atmungseinheit des Körpers, der Alveolen, in vitro nachbildet. „Dieses System stellt ein Modell bereit, das die menschliche Physiologie genauer widerspiegelt und soll die Lücke zwischen klinischen Experimenten und Tierversuchsmodellen schließen. Dies wird eine präzisere Simulation biologischer Prozesse im menschlichen Körper ermöglichen“, sagte Dr. Yuanrong Li, der erste Autor der Arbeit.

Die Alveolen, die hauptsächlich aus Alveolarepithelzellen, Basalmembran und Kapillaren bestehen, unterliegen während der Atmung verschiedenen Formänderungen. „Obwohl es erhebliche Fortschritte bei den alveolären mikrophysiologischen Systemen gegeben hat, besteht nach wie vor ein Mangel an geeigneten Biomaterialien für den Aufbau alveolärer Basalmembranen und die Kontrolle alveolärer unterschiedlicher Verformungen“, sagte Li.

Inspiriert von der Kunst des Papierschneidens entwarf das Forschungsteam eine biomimetische Basalmembran, die mit GelMA auf einer topologischen Netzoberfläche aus Polycaprolacton (PCL) beschichtet war. Das PCL-Netz ist mit Kreisen und Wellen strukturiert. Bei Aktivierung der biomimetischen Basalmembran bleibt die Form der Kreise konstant.

Je größer der Wellenbogen ist, desto größer ist die Verformung der gestreckten Welle und desto größer ist folglich die Verformung des Hydrogels in der Nähe der Welle. Durch die Veränderung von Wellen unterschiedlicher Krümmung kann die Verformung der gesamten biomimetischen Basalmembran kontrolliert werden.

Durch Materialoptimierung wählte das Forschungsteam eine GelMA-Konzentration aus, die der Steifigkeit der alveolären extrazellulären Matrix (ECM) entspricht. Der in GelMA enthaltene Arg-Gly-Asp (RGD)-Ligand unterstützt die Zelladhäsion und fördert eine förderlichere alveoläre Mikroumgebung. Darüber hinaus ermöglicht die GelMA-Beschichtung die Kultivierung von Zellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und simuliert so die menschliche Luft-Blut-Schranke.

„Dieser Strukturentwurf ist für uns sehr spannend, da er nicht nur zur Simulation der Alveolaratmung, sondern auch für andere Szenarien verwendet werden kann, bei denen lokale Verformungen kontrolliert werden müssen“, sagt Li. Das Forschungsteam verifizierte die Wirksamkeit dieses Verbunddesigns durch numerische Simulationen und Zellexperimente.

In der Endphase ihrer Studie setzte das Forschungsteam ein alveoläres mikrophysiologisches System ein, um die durch mechanische Beatmung verursachte Lungenschädigung nachzuahmen. Anschließend verabreichten sie Lopinavir/Ritonavir als Mittel zur Linderung der Symptome, die mit einer beatmungsbedingten Lungenschädigung einhergehen.

Alveoläre mikrophysiologische Systeme stellen eine innovative Konvergenz von Biologie, Medizin und Technik dar und haben das Potenzial, eine Reihe wissenschaftlicher Disziplinen zu verändern, darunter Grundlagenbiologie, Physiologie, Pharmakologie, Toxikologie und Arzneimittelforschung. Bei der Entwicklung biomimetischer Basalmembranen und Bioreaktoren für diese Systeme wurden erhebliche Fortschritte erzielt.

„Mit Blick auf die Zukunft sollte der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Werkzeugen liegen, die nicht nur physiologisch relevant, sondern auch benutzerfreundlich, reproduzierbar und kosteneffektiv sind, um der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft greifbare Vorteile zu bieten“, sagte Professor He.