Methode zur Herstellung von Schwefelverbindungen in Zellen ist vielversprechend für die Gewebereparatur

Schwefelbasierte Verbindungen, die in unserem Körper produziert werden, helfen unter anderem dabei, Entzündungen zu bekämpfen und neue Blutgefäße zu bilden. Allerdings sind die Verbindungen empfindlich und zerfallen leicht, was ihre Untersuchung erschwert.

Ein von Wissenschaftlern der Penn State geleitetes Team hat eine neue Methode entwickelt, um die Verbindungen – sogenannte Polysulfide – im Inneren von Zellen zu erzeugen, und die Arbeit könnte möglicherweise zu Fortschritten bei der Wundbehandlung und Gewebereparatur führen.

Das berichten die Forscher ihre Arbeit im Tagebuch Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen.

„Forscher hatten bisher Mühe, Schwefelspezies bereitzustellen, die für biologische Systeme geeignet sind, und wir haben einen neuartigen Ansatz entwickelt, der dies ermöglicht“, sagte Urara Hasegawa, Assistenzprofessorin für Materialwissenschaften und -technik an der Penn State und korrespondierende Autorin der Studie. „Unsere Arbeit bietet eine vielversprechende Option für die kontrollierte Abgabe von Polysulfiden für therapeutische Anwendungen.“

Schwefelwasserstoff (H2S), das Gas, das für den Geruch nach faulen Eiern in Erdgas und Abwasserkanälen verantwortlich ist, wird auch in unserem Körper produziert, wo es offenbar als Signalvermittler fungiert – indem es Nachrichten an Zellen sendet und dabei hilft, Prozesse im Herz-Kreislauf-System zu regulieren. Nerven- und Immunsystem.

Den Forschern zufolge deuten neuere Studien jedoch darauf hin, dass H2S möglicherweise nicht tatsächlich der Signalvermittler ist. Stattdessen könnte es sich um Polysulfide handeln, die entstehen, wenn sich H2S mit Enzymen und Sauerstoff in Zellen vermischt, sagten die Wissenschaftler.

Forscher konnten diese Theorie nicht bestätigen, sagte Hasegawa, da Polysulfidverbindungen von Natur aus instabil seien und sich leicht zersetzten.

„Die aktuelle Forschung ist recht begrenzt, weil wir als Gemeinschaft nicht wissen, wie Sulfidspezies funktionieren“, sagte Hasegawa und erklärte, dass die Unfähigkeit, eine kontrollierte und anhaltende Freisetzung der Verbindungen in biologischen Systemen zu bewirken, den Fortschritt der Sulfidbiologie behindert habe Forschung. „Wenn wir Grundlagenforschung betreiben wollen, ist ein Liefersystem unerlässlich, und das haben wir hier entwickelt.“

Die Wissenschaftler entwickelten eine neuartige Methode, um die H2S-Oxidationsreaktion innerhalb von Zellen mithilfe von Polymermizellen zu induzieren, bei denen es sich um selbstorganisierte Kern-Schale-Strukturen in Nanogröße handelt.

Diese Kern-Schale-Strukturen können von Zellen aufgenommen werden und schützen den Inhalt – in diesem Fall Manganporphyrin, einen Metallkomplex, der H2S in Polysulfide umwandeln kann.

„Wir haben diese Nanostruktur hergestellt, die wie eine Nanokapsel funktioniert“, sagte Hasegawa. „Diese Nanokapsel kann den Porphyrinkomplex vor der Zellumgebung schützen und ermöglicht es uns, die Oxidation von H2S zu Polysulfidspezies zu katalysieren, und zwar innerhalb einer Zelle.“

Die Wissenschaftler testeten den Ansatz an menschlichen Endothelzellen der Nabelschnurvene, einem gängigen Modellsystem, bei dem die Zellen verwendet werden, die die Nabelschnurvene auskleiden. Sie fanden heraus, dass die Behandlung von Zellen mit der Kombination eines H2S-Donormoleküls und der Mangan-Porphyrin-Polymer-Mizellen die Bildung von Endothelzellröhren – oder kapillarähnlichen Strukturen, die Blutgefäße auskleiden – induziert. Die alleinige Zugabe des H2S-Donormoleküls führte nur zu einer schwachen Röhrenbildung.

„Im Prozess der Angiogenese – oder der Bildung neuer Blutgefäße – verwandeln sich Endothelzellen bekanntermaßen von einer polygonalen in eine längliche Form“, sagte Hasegawa und wies darauf hin, dass die wissenschaftliche Literatur auch darauf hinweist, dass Angiogenese die Proliferation und Migration von Endothelzellen induzieren kann. „Zellen müssen sich ausrichten und umformen, um die innerste Schicht des Blutgefäßes zu bilden, die als Barriere fungiert, um das Blut im Gefäß einzuschließen.“

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Umwandlung von H2S in Polysulfide für die Stimulierung der Bildung von Endothelzellröhren erforderlich ist. Die Verabreichung von Polysulfiden als Behandlung könnte Auswirkungen auf die Behandlung von Wunden und die Reparatur von Gewebe haben, sagten die Wissenschaftler.

„Wir sind sehr an Tissue Engineering oder Geweberegeneration interessiert“, sagte Hasegawa. „Unsere Arbeit zeigt, dass wir die Angiogenese stimulieren können, wenn wir diese Sulfidspezies anwenden.“

Hasegawa sagte, das Team setze seine Forschung fort, um die Mechanismen für die Bioaktivität von Polysulfiden zu verstehen. Zukünftige Arbeiten könnten auch die Erforschung therapeutischer Anwendungen der Mizellen umfassen.