Wissenschaftler nutzen magnetische Nanotechnologie, um gefrorenes Gewebe für Transplantationen sicher wieder aufzuwärmen

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Jeden Tag sterben Menschen, während sie auf eine Organtransplantation warten. Zeit ist kostbar, nicht nur für die Wartenden, sondern auch für die Organe selbst, deren Zustand während des Transports rasch verfallen kann.

Um die Lebensfähigkeit menschlichen Gewebes zu verlängern, Bericht InNano-Buchstaben Ihre Bemühungen, potenziell lebensrettende Organe vollständig einzufrieren, anstatt sie abzukühlen und dann aufzutauen. Sie demonstrieren, wie ein magnetisches Nanopartikel tierisches Gewebe erfolgreich wieder erwärmt.

Dem Organ Procurement and Transplantation Network zufolge stehen im August 2024 mehr als 114.000 Menschen auf der US-amerikanischen Warteliste für Transplantationen, und jährlich sterben etwa 6.000 Menschen, bevor sie eine Organtransplantation erhalten. Ein Grund dafür ist der Verlust von Organen in der Kühllagerung während des Transports, wenn sie sich aufgrund von Verzögerungen vorzeitig erwärmen.

Es wurden Methoden entwickelt, um Organe für eine längerfristige Lagerung schnell einzufrieren, ohne Schäden durch Eiskristallbildung zu riskieren. Allerdings können sich auch beim Erwärmen Eiskristalle bilden. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Yadong Yin und Kollegen eine Technik namens Nanowarming, die von ihrem Kollegen John Bischof entwickelt wurde. Dabei werden magnetische Nanopartikel und Magnetfelder eingesetzt, um gefrorenes Gewebe schnell, gleichmäßig und sicher aufzutauen.

Vor kurzem entwickelten Yin und sein Team magnetische Nanopartikel – im Grunde extrem kleine Stabmagnete – die, wenn sie wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt wurden, Hitze erzeugten. Und diese Hitze ließ tierisches Gewebe, das bei -150 Grad Celsius in einer Lösung aus den Nanopartikeln und einem Kryoprotektivum gelagert wurde, rasch auftauen.

Die Forscher befürchteten jedoch, dass eine ungleichmäßige Verteilung der Nanopartikel im Gewebe eine Überhitzung an den Stellen auslösen könnte, an denen sich die Partikel ansammeln, was bei erhöhten Temperaturen zu Gewebeschäden und Toxizität des Kryoprotektivums führen könnte.

Um diese Risiken zu verringern, haben die Forscher ihre Untersuchungen fortgesetzt und an einem zweistufigen Ansatz gearbeitet, der die Nanoerwärmungsraten genauer kontrolliert. Sie beschreiben diesen Prozess:

  • Kultivierte Zellen oder tierische Gewebe wurden in eine Lösung mit magnetischen Nanopartikeln und einer kryoprotektiven Substanz getaucht und dann mit flüssigem Stickstoff eingefroren.
  • Im ersten Schritt des Auftauens sorgte wie zuvor ein alternierendes Magnetfeld für eine schnelle Wiedererwärmung des tierischen Gewebes.
  • Als sich die Proben der Schmelztemperatur des Kryoprotektivums näherten, legten die Forscher ein horizontales statisches Magnetfeld an.
  • Das zweite Feld richtete die Nanopartikel neu aus und bremste so wirksam die Wärmeproduktion.

    • In Bereichen mit mehr Nanopartikeln verlangsamte sich die Erwärmung am schnellsten, was die Bedenken hinsichtlich problematischer Hotspots dämpfte. Bei der Anwendung der Methode auf kultivierte menschliche Hautfibroblasten und auf Halsschlagadern von Schweinen stellten die Forscher fest, dass die Zelllebensfähigkeit nach dem Wiedererwärmen über einige Minuten hinweg hoch blieb, was darauf hindeutet, dass das Auftauen sowohl schnell als auch sicher war.

    Die Fähigkeit, die Wiedererwärmung von Gewebe präzise zu steuern, bringt uns der langfristigen Kryokonservierung von Organen einen Schritt näher und gibt uns die Hoffnung auf mehr lebensrettende Transplantationen für Patienten, sagen die Forscher.

    Weitere Informationen:
    Sangmo Liu et al., Magnetische Nanostäbe-vermittelte Nanoerwärmung mit gleichmäßiger und geschwindigkeitsregulierter Erwärmung, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03081

    Zur Verfügung gestellt von der American Chemical Society

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