Intelligenter Wundverband des Imperial College London nutzt den Körper als Apotheke

Manche Wunden erhalten nie das Signal, sich zu schließen. Ein intelligenter Wundverband des Imperial College London wurde genau für solche Fälle entwickelt: Er macht den Körper der Patientinnen und Patienten selbst zur Apotheke.

Diabetische Fußulzera betreffen jährlich etwa 18,6 Millionen Menschen. Bei ungefähr einem von fünf dieser Fälle wird ein Teil oder der gesamte Fuß amputiert.

Das Material fängt Heilungsproteine ein, die bereits in der Wunde oder im Blut vorhanden sind, und fixiert sie. Freigesetzt werden sie erst, wenn eine Reparaturzelle einwandert und daran zieht.

Warum manche Wunden nicht heilen

Die Wundheilung beruht auf Wachstumsfaktoren – Proteinen, die Zellen anweisen, sich zu bewegen, zu vermehren und Gewebe wiederaufzubauen.

Bei einer Wunde, die sich nicht schließt, sind diese Signale zu schwach, falsch abgestimmt oder verschwinden zu früh.

Gängige Behandlungen reagieren darauf mit großer Intensität. Sprays und Cremes bringen hohe Dosen künstlich hergestellter Wachstumsfaktor-Arzneimittel in die Wunde.

Diese Proteine sind empfindlich. Die meisten werden abgebaut oder aus der Wunde ausgewaschen, bevor sie ihre Aufgabe erfüllen können.

Andere Materialien geben der Wunde zwar strukturellen Halt, liefern aber keine biologischen Anweisungen. Die Wunde erhält ein Gerüst, jedoch keine Orientierung.

Die Kosten sind erheblich. Nicht heilende Wunden verursachen dem NHS jährlich Kosten in Milliardenhöhe; allein Verbrennungen führen weltweit zu rund 180.000 Todesfällen, überwiegend in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen.

Dabei verfügt der Körper selbst über Reparaturprogramme – von Muskelfasern, die nach Belastung geschädigte Bestandteile beseitigen, bis zu Haarstammzellen, die auf die Reparatur der Haut umschalten.

Der intelligente Wundverband wird aktiv

Die Plattform basiert auf Aptameren: kurzen Nukleinsäuresträngen, die sich so falten, dass sie ein bestimmtes Protein fest binden. Sie befinden sich auf einem Gerüst, meist einem Kollagenschwamm, der in die Wunde eingebracht wird.

Die Aptamere fangen vorbeiströmende Wachstumsfaktoren auf und reichern sie am Gerüst an. Jeder Faktor wird dort in einem inaktiven Zustand gehalten, der ihn zugleich vor Enzymen schützt, die ihn sonst zerstören würden.

Ausgelöst wird die Freisetzung durch Kraft. Wandert eine Reparaturzelle in den Verband ein und zieht daran, lockert sich die Bindung: Der Wachstumsfaktor wird genau an diesem Ort und zu diesem Zeitpunkt an diese Zelle abgegeben.

Dr. Ben Almquist, leitender Autor der Studie, ist außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen am Imperial College. Das Team bezeichnet diese Konstrukte als durch Zugkraft aktivierte Wirkstoffträger.

„Was bei dieser Forschung besonders hervorsticht, ist, dass der Körper der Patientinnen und Patienten selbst zur Apotheke wird“, sagte Dr. Almquist.

„Wir verabreichen kein künstlich hergestelltes Medikament und hoffen dann, dass es lange genug überlebt, um zu wirken.“

„Wir fangen ein, was der Körper bereits produziert, und geben es den Zellen zurück, die es benötigen. Dazu programmieren wir Intelligenz direkt in das Material ein, aktiviert durch das eine Signal, das garantiert genau dort vorhanden ist, wo Heilung stattfindet: die physische Kraft einer Zelle, die an ihrer Umgebung zieht.“

Tests in lebendem Gewebe

Das Konzept wurde erstmals 2019 vorgestellt, damals jedoch nur in einfachen Zellkulturen. Diese stellen eine kontrollierte Umgebung dar und ähneln nicht dem chemischen Durcheinander einer echten Wunde.

Für die aktuelle Studie prüfte das Team die Technologie unter drei anspruchsvolleren Bedingungen: bei Knochenverletzungen von Ratten, bei Hautwunden von Mäusen und an lebender menschlicher Haut, die im Labor erhalten wurde.

Im Rattenmodell für Knochenverletzungen förderten Schwämme mit der Plattform die Bildung neuer Blutgefäße. Bei Mäusehaut waren behandelte Wunden nach zehn Tagen deutlich kleiner.

In lebender menschlicher Haut wuchs Gewebe schneller in den Verband ein. In allen Modellen erreichten identische Materialien, die nicht durch den Zug von Zellen geöffnet werden konnten, diesen Effekt nicht.

Dr. Magdalene Ho vom Fachbereich Bioingenieurwesen des Imperial College ist Erstautorin der Studie.

„Am meisten begeistert mich, dass dies in lebender menschlicher Haut funktioniert. Wir können sehen, wie Reparaturzellen in den Wundverband einwandern, und bestätigen, dass das Material mit der menschlichen Biologie interagiert. Dieses Ergebnis stimmt mich zuversichtlich, dass dieser Ansatz eine Zukunft in der Klinik hat“, sagte Dr. Ho.

Dosierungen weit unter klinischen Mengen

Besonders auffällig ist die Effizienz in den Zahlen. Das System funktioniert mit Dosen, die mehrere Hundert- bis Tausendmal niedriger sind als bei der herkömmlichen Verabreichung von Wachstumsfaktoren.

Gegenüber einem bereits klinisch eingesetzten Wachstumsfaktorprodukt beträgt der Unterschied mehr als das 2.000-Fache.

Dabei geht es nicht nur um Kosten. Hohe Dosen von Wachstumsfaktor-Arzneimitteln sind seit Jahren mit Sicherheitsbedenken verbunden; daher ist es bedeutsam, denselben Effekt mit einer winzigen Proteinmenge zu erzielen.

Auch die Chemie erwies sich als widerstandsfähiger als erwartet. Nicht modifizierte Aptamere blieben in enzymreichem Wundsekret funktionsfähig, was den möglichen Einsatzbereich von Nukleinsäuretherapien erweitert.

Das System lässt sich außerdem so einstellen, dass nur bestimmte Zelltypen die Fracht freisetzen. Ein solches Maß an Zielgenauigkeit können Sprays und Cremes nicht bieten.

Grenzen der Studie

Bislang wurde keine Patientin und kein Patient mit diesem Verband behandelt. Die Belege stammen aus Rattenknochen, Mäusehaut und menschlicher Haut, die außerhalb des Körpers am Leben erhalten wurde.

Menschliche Haut im Labor besitzt weder eine Blutversorgung noch ein funktionierendes Immunsystem. Gerade diese beiden Systeme gehören zu den Faktoren, die bei einer chronischen Wunde besonders häufig beeinträchtigt sind.

Auch die Tiere waren gesund. Die Wunden, für die diese Technologie am dringendsten benötigt wird, betreffen Menschen mit Diabetes, Durchblutungsstörungen und über Jahre angesammelten Schäden.

Das Ergebnis bei Mäusen wurde über zehn Tage erfasst. Daher erlaubt die Studie keine Aussagen über Narbenbildung oder langfristige Haltbarkeit.

Heilung ohne Kühlkette

Da der Verband seine Proteine aus der Wunde oder aus dem Blut sammelt, könnte er den Bedarf an hergestellten Arzneimitteln und an der Kühlung zu ihrer Stabilisierung senken.

Das ist ebenso ein logistischer wie ein wissenschaftlicher Vorteil. Denkbare Einsatzfelder sind Notfallmedizin, humanitäre Umgebungen, die Versorgung an vorderster Front und Gesundheitssysteme mit begrenzten Ressourcen.

Andere Forschungsgruppen gehen dasselbe Problem über die Erkennung an und entwickeln intelligente Wundverbände, die ihre Farbe ändern, wenn sich eine Wunde infiziert.

Mr. Shehan Hettiaratchy OBE, Professor für praktische plastische und rekonstruktive Chirurgie am Imperial College London, war nicht an der Studie beteiligt.

„Dies ist ein bedeutender Durchbruch in der Wundheilung. Wir wissen seit Langem, dass der Körper Wunden am besten heilen kann, sofern dieses System nicht gestört ist“, sagte Professor Hettiaratchy.

„Diese Technologie nutzt dieses System, um es wieder auf den richtigen Weg zu bringen und Wunden zu heilen, mit denen der Körper Schwierigkeiten hat.“

„Dies könnte chronische Wunden enorm beeinflussen und zugleich dazu beitragen, dass akute Wunden, etwa nach Verletzungen oder Unfällen, von Anfang an optimal heilen.“

Das Team spricht nun mit Partnern und Klinikerinnen und Klinikern über den Weg in die klinische Anwendung. Der erste echte Test wird an einer Wunde eines Menschen stattfinden und nicht an einer Wunde in einer Schale.