Nutzung von Exosomen und Hydrogelen zur verbesserten Wundheilung bei Diabetes

Diabetes ist eine weitverbreitete Krankheit, von der etwa 13 % der amerikanischen Erwachsenen betroffen sind. Sie geht häufig mit Komplikationen wie Wundheilungsstörungen einher. Bleibt die Krankheit unbehandelt, kann sie schwerwiegende Folgen haben, darunter auch eine Amputation.

Die Herausforderung, wirksame Behandlungen für diabetische Wunden zu finden, wird immer dringlicher. Solche Wunden sind durch anhaltende Entzündungen, Sauerstoffmangel und gestörte Blutgefäßbildung gekennzeichnet, was alles zu einer verzögerten Genesung beiträgt. Eine neue Grenze in der biomedizinischen Forschung weist jedoch auf Exosomen als mögliche Lösung hin.

Ein Team von NYU Langone und NYU Tandon, zu dem auch Jin Kim Montclare gehört, hat begonnen, Exosomen, winzige membrangebundene Bläschen, als vielversprechende Heilmittel zu untersuchen. Diese Nanovesikel transportieren verschiedene biologische Materialien – Nukleinsäuren, Proteine ​​und Lipide – und können so die interzelluläre Kommunikation vermitteln und Prozesse wie die Gewebereparatur beeinflussen.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal ACS Angewandte Biomaterialien.

Insbesondere Exosomen aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs), darunter solche aus Fettgewebe, haben in Tiermodellen ein erhebliches Potenzial zur Förderung der Wundheilung gezeigt. Ihre therapeutische Wirkung scheint auf ihrer Fähigkeit zu beruhen, Entzündungen zu reduzieren und eine heilungsfreundliche Umgebung zu schaffen, indem sie die Blutgefäßbildung fördern und die Aktivität von Zellen wie Fibroblasten und Endothelzellen anregen, die für die Gewebereparatur unerlässlich sind.

Ein großer Vorteil von Exosomen ist ihre Fähigkeit, einige der mit traditionellen Stammzelltherapien verbundenen Risiken zu umgehen, wie etwa unkontrolliertes Zellwachstum oder Immunabstoßung. Trotz ihrer vielversprechenden Wirkung müssen Exosomen jedoch in der Regel wiederholt verabreicht werden – entweder durch subkutane oder intravenöse Injektionen – was eine Herausforderung für die langfristige Wundbehandlung darstellt.

Montclares Team erforscht innovative Wege, um das therapeutische Potenzial von Exosomen zu steigern. Eine davon besteht darin, sie mit Hydrogelen zu kombinieren. Hydrogele bestehen aus Netzwerken vernetzter Polymere und können Exosomen in ihrer Struktur einkapseln. Diese Einkapselung ermöglicht eine nachhaltigere und lokalisiertere Freisetzung von Exosomen direkt an der Wunde, ohne dass invasive Injektionen erforderlich sind.

Hydrogele sind bereits für ihre Biokompatibilität und ihre Fähigkeit, Wunden zu hydratisieren, bekannt, was sie allein schon als Wundauflagen nützlich macht. In Kombination mit Exosomen erhöht sich ihre therapeutische Wirksamkeit erheblich, insbesondere bei diabetischen Wunden.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Hydrogel-Exosomen-Kombinationen durchweg zu einem schnelleren Wundverschluss führen als Hydrogele oder Exosomen allein. Diese Hydrogelsysteme sind nicht proteinbasiert, aber jüngste Fortschritte in der proteinbasierten Hydrogeltechnologie haben neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Wundheilung eröffnet.

Montclare hat ein proteinbasiertes Hydrogel namens „Q“ entwickelt, das bei niedrigen Temperaturen durch einen Prozess namens Gelierung bei oberer kritischer Lösungstemperatur (UCST) ein Gel bildet. Dieses proteinbasierte Hydrogel ordnet sich selbst zu Nanofasern an und bildet ein physikalisch vernetztes Netzwerk, das mechanische Festigkeit verleiht.

Durch Feinabstimmung der Proteinsequenz mithilfe hochentwickelter Computertools wie dem Rosetta-Score und Poisson-Boltzmann-Berechnungen des elektrostatischen Potentials konnten sie die mechanischen Eigenschaften, die Stabilität und die Bildungsgeschwindigkeit des Gels verbessern – Schlüsselfaktoren für die Entwicklung eines idealen Wundverbands.

Um diesen Ansatz weiter voranzutreiben, entwickelten sie eine Variante des Q-Hydrogels, genannt Q5, und nutzten automatisierte Auswahlmethoden, um seine Stabilität zu optimieren. Sie kapselten Exosomen in Q5 ein, um ein neues Hydrogel-Exosomen-System namens Q5Exo zu schaffen. Dieses System bietet einen topischen, nichtinvasiven Wundverband, der verspricht, diabetische Wunden effektiver zu behandeln als herkömmliche Methoden, die auf Injektionen beruhen.

In Studien mit diabetischen Mausmodellen zeigte Q5Exo bei topischer Anwendung eine signifikante Verkürzung der Heilungszeit im Vergleich zu Exosomen, die per Injektion verabreicht wurden. Dies deutet darauf hin, dass proteinbasierte Hydrogele mit ihren anpassbaren Eigenschaften eine wirksame Plattform zur Verbesserung der Wundheilungsergebnisse bei Diabetes sein könnten.

Mit fortschreitender Forschung könnten solche Hydrogele den Weg für eine neue Generation biokompatibler, wirksamer Wundverbände ebnen, die die therapeutische Kraft von Exosomen nutzen.