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May 19, 2023

Durchbruch bei Biokleber

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Die von Seepockenkleber inspirierte Behandlung von SanaHeal kann schwere Blutungen in der Leber eines Schweins stoppen. Bildnachweis: SanaHeal

Sanaheal in Cambridge, Massachusetts, wurde 2021 vom Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, ausgegliedert.

Hyunwoo Yuk hebt die Frischhaltefolie von einem Klumpen violetten Gewebes ab und macht einen kleinen Einschnitt. „Das ist eine wunderschöne Schweineleber!“ ruft er.

Yuk, ein Maschinenbauingenieur, der zum Unternehmer wurde, versucht, die Schnittwunde mit einem Standard-Folienverband zu flicken, aber der Verband klebt nicht – die Oberfläche des Organs ist zu feucht.

Anschließend bringt Yuk ein kleines Stück experimentelles Klebeband an, das aus der firmeneigenen Mischung aus Polymeren und chemischen Verbindungen hergestellt wird. Diese Abdeckung haftet schnell und beginnt nach innen zu schrumpfen, wodurch der Schnitt geschlossen wird und eine mechanische Verstärkung entsteht, die in einem lebenden Körper zur Förderung der Wundheilung beitragen würde.

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Das Bioadhäsiv wurde erstmals im Labor des Materialwissenschaftlers Xuanhe Zhao am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge entwickelt und bietet eine potenzielle Verbesserung gegenüber handgenähten Nähten und vorhandenen Mitteln zur Blutungskontrolle für unzählige klinische Anwendungen1. In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass es dabei hilft, Dickdarmverletzungen bei Schweinen abzudichten2, Hautläsionen bei Mäusen zu heilen3 und bioelektronische Geräte an den schlagenden Herzen von Ratten anzubringen4. Das gleiche Klebeband kann auch entfernt werden, ohne dass das darunter liegende Gewebe sichtbar geschädigt wird5.

Yuk beschreibt die Technologie als eine Art „Klebeband für die Chirurgie“. So wie das Klebeband ein Allzweckwerkzeug für jeden Heimwerker ist, könnte sein bioadhäsives Material eine universelle Lösung für die Gewebereparatur für Chirurgen darstellen.

Das Klebeband kann auch zu einer Paste ähnlich einer Spielknete umformuliert werden, die, wenn sie in die geschädigten Lebern und Herzen verletzter Tiere gesteckt wird, in Sekundenschnelle eine wasserdichte Versiegelung erzeugt6. Bei Experimenten mit blutbedeckter Schweinehaut erwiesen sich die mit dieser Schmiere hergestellten Verschlüsse als stärker als alle mit einer Handvoll handelsüblicher Klebstoffe hergestellten Verschlüsse, die das Gleiche bewirken sollen.

„Es ist wirklich eine vielseitige Plattform“, sagt Yuk, der Chief Technology Officer von SanaHeal, dem Spin-off-Unternehmen, das er und Zhao – zusammen mit dem Arzt und Wissenschaftler Christoph Nabzdyk am Brigham and Women’s Hospital in Boston, Massachusetts – gegründet haben 2021, um die Technologie weiterzuentwickeln. SanaHeal ist Finalist für den Spinoff-Preis 2023.

Die SanaHeal-Materialien haben großes Lob für ihre Klebeeigenschaften und ihre einfache Anwendung erhalten. „Sie haben eine Bereitschaft zur Kommerzialisierung und Übersetzung, die sie zu echten Herausragenden auf diesem Gebiet macht“, sagt Jianyu Li, ein Biomaterialingenieur an der McGill University in Montreal, Kanada, der nicht am Unternehmen beteiligt ist.

Die Funktionalität ist für Jonathan Wilker, Chemiker an der Purdue University in West Lafayette, Indiana, besonders beeindruckend, da die Technologie auf Polymeren basiert, die bereits in medizinischen Geräten verwendet werden und daher als sicher gelten. Wilker, der nicht am Unternehmen beteiligt ist, weist darauf hin, dass SanaHeal diese Materialien auf innovative Weise arrangiert, die eine beispiellose Klebrigkeit unter wässrigen Bedingungen ermöglichen. „Die Chemie, die sie verwenden, ist nicht besonders exotisch“, sagt Wilker, „aber sie bringen sie auf ein Niveau, das nur sehr wenige Menschen erreichen können.“

„Dies stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu aktuellen Wundverschlusstechniken dar“, sagt Xiaodong Chen, ein Materialwissenschaftler an der Nanyang Technological University in Singapur, der nicht mit SanaHeal verbunden ist.

Gewebehaftung war für Yuk nicht das Hauptziel, als er 2014 als Doktorand in Zhaos Laborgruppe eintrat.

Seinen Masterabschluss erwarb er zunächst, nachdem er Hydrogele – geleeartige Mischungen aus vernetzten Polymeren und Wasser – auf Industriematerialien wie Glas, Keramik und Metallen getestet hatte, die häufig eine Verbindung zwischen zwei nassen Oberflächen erfordern. Erst einige Jahre später, nachdem Yuk mit seiner Doktorarbeit begonnen hatte, bewegte sich die Forschung in eine eher biologische Richtung.

Teil von Nature Outlook: Der Spinoff-Preis 2023

Es begann mit einem Vorschlag von Nabzdyk, der von Yuks Hydrogelen beeindruckt war und sie in verschiedenen chirurgischen Umgebungen ausprobieren wollte.

Yuk gefiel die Idee. Er habe schon immer „etwas Medizinisches tun wollen“, sagt er, besonders nachdem sein jüngerer Bruder Youngwoo vor einem Jahrzehnt in Yuks Heimatland Südkorea aus einem Fenster im fünften Stock gestürzt war, schwere innere Blutungen erlitten hatte und mehrere Operationen zum Überleben benötigt hatte. Der Unfall gab Yuk einen Einblick in die Grenzen der bestehenden Möglichkeiten zur Blutungskontrolle.

Gemeinsam mit Nabzdyk begann Yuk, wie er es ausdrückt, „ein wirklich brisantes Problem zu lösen, das den Patienten direkt zugute kommen könnte“.

SanaHeal plant schließlich, seine Blutstillungstechnologie für chirurgische Anwendungen weiterzuentwickeln. Aber zunächst werden klinische Möglichkeiten verfolgt, bei denen das Material nicht langfristig im Körper verbleibt – ein Bereich der Medizin, in dem der regulatorische Weg zur Markteinführung weniger schwierig ist. Die Bemühungen konzentrieren sich auf ein Wundversorgungspflaster für Fußgeschwüre bei Menschen mit Diabetes und eine bioadhäsive Paste zur Kontrolle des Blutverlusts in traumatischen Notfallsituationen, beispielsweise während eines militärischen Kampfes.

„Das sind wichtige klinische Probleme“, sagt Patrick Rivelli, Präsident und Geschäftsführer von SanaHeal, das sich im Biotech-Zentrum Kendall Square in Cambridge, Massachusetts, befindet. Schwere Blutungen sind eine der häufigsten vermeidbaren Todesursachen beim Militär, und Geschwüre verursachen weltweit bei Millionen von Menschen mit schlecht behandeltem Diabetes Behinderungen und Leiden.

Wie das Material von SanaHeal bieten auch andere in der Entwicklung befindliche nasstolerante Klebstoffe Vorteile gegenüber bestehenden hämostatischen Produkten, die alle dazu neigen, langsam zu wirken und unter unordentlichen, blutgetränkten Bedingungen nur schwache Abdichtungen zu bieten. Aber diese konkurrierenden Technologien haben ihre Nachteile. Einige erfordern lange Bewerbungsfristen. Andere erfordern eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, um die Materialien auszuhärten.

SanaHeal strebt ein weniger anspruchsvolles Benutzererlebnis an. „Es ist kein Vorbereitungsschritt erforderlich“, sagt Nabzdyk. „Du nimmst es. Du drückst darauf. Und fertig.“

„Die Einfachheit ist wirklich attraktiv“, sagt Georgios Theocharidis, Bioingenieur am Beth Israel Deaconess Medical Center in Boston. „Es ist etwas, das man einfach dort hinstellen und mehrere Tage lang stehen lassen kann.“

Theocharidis arbeitet mit den SanaHeal-Forschern zusammen, um das Klebepflaster an diabetischen Minischweinen mit geschwürartigen offenen Wunden zu testen. Letztes Jahr zeigten die Forscher, dass das Verbinden der Wunden mit dem selbstschrumpfenden, klebrigen Material von SanaHeal im Vergleich zu Verbänden, die aus einem der am häufigsten verwendeten Wundpflegeprodukte hergestellt wurden, zu einer schnelleren Hauterholung führte3. „Wir sehen sehr beeindruckende Ergebnisse“, sagt Theocharidis.

Ein Großteil von Yuks Werken ist von der Natur inspiriert. Sein Klebeband zum Beispiel wurde entwickelt, um nachzuahmen, wie Spinnennetze Feuchtigkeit absorbieren, um so Insekten einzufangen. Und seine bioadhäsive Paste ist von Seepocken inspiriert, die ölige Sekrete einsetzen, um Verunreinigungen von Oberflächen zu entfernen, bevor sie klebende Proteine ​​ablagern.

Tatsächlich ist die Paste nichts anderes als das ursprüngliche Klebeband, das in winzige Stücke zermahlen und dann mit Mineralöl vermischt wird. Das Öl hilft, Blut abzuleiten. Die Mikropartikel des Bioadhäsivs absorbieren überschüssiges Wasser. Und da diese störenden Flüssigkeiten nicht im Weg sind, kann sich das Material problemlos am Gewebe befestigen und eine undurchlässige Versiegelung bilden, die den Blutfluss aus einer Wunde stoppt (siehe „Chemische Wundbindung“).

Bildnachweis: Alisdair MacDonald

„Mechanistisch gesehen bewirkt es genau das Gleiche wie Seepockenkleber“, sagt Yuk. „Das ist wahre Bioinspiration.“

SanaHeal versucht sich an einer Reihe anderer spekulativer Anwendungen, beispielsweise zur Erleichterung der Anbringung elektronischer Sensoren an inneren Organen oder zur Reduzierung des Auftretens von Falten. Doch im kommenden Jahr liegt die Hauptpriorität des Unternehmens darin, die Herstellung von Produkten in klinischer Qualität auszuweiten, da SanaHeal der Kommerzialisierung näher kommt.

Es wird nicht einfach sein. Wie der Bioingenieur Jeffrey Karp vom Brigham and Women's Hospital betont: „Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Produktion von Gewebeklebstoffen zu skalieren, ein lagerstabiles Produkt zu erzielen und dabei die Leistung nicht zu beeinträchtigen.“ Und Karp sollte es wissen. 2014 erfand er seinen eigenen chirurgischen Kleber7, der jetzt vom Biotechnologieunternehmen Tissium in Paris entwickelt wird.

SanaHeal muss auch „die langfristige Leistung dieser Bioadhäsive berücksichtigen“, sagt Chen. Insbesondere für Anwendungen im Körperinneren, bei denen es „auf die richtige Balance zwischen ausreichendem Wundverschluss und Zersetzungsgeschwindigkeit ankommt“.

Yuk ist sich der unzähligen Hürden bewusst, die vor ihm liegen. Viele vor ihm haben versucht, nasstolerante Gewebeklebstoffe in Operationssälen und Arztpraxen einzuführen, und sind damit gescheitert. „Es ist ein alter Drache, den jeder töten möchte“, sagt er. Aber mit seinen Klebebändern und Pasten hätte Yuk vielleicht das medizinische Äquivalent des Heiligen Georg geschaffen – einen Drachentöter von legendärer Bedeutung.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01661-2

Dieser Artikel ist Teil von Nature Outlook: The Spinoff Prize 2023, einer redaktionell unabhängigen Beilage, die mit finanzieller Unterstützung Dritter erstellt wurde. Über diesen Inhalt.

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