Forscher der Boise State University haben eine neue Technik und Plattform entwickelt, um mit Zellen zu kommunizieren und sie zur Knorpelbildung anzuregen. Ihre Arbeit nutzt eine dreidimensionale, biokompatible Form von Kohlenstoff, den sogenannten Graphenschaum. Sie erscheint auf dem Cover der Zeitschrift „Applied Materials and Interfaces“ der American Chemical Society – einer interdisziplinären Fachzeitschrift für Chemiker, Ingenieure, Physiker und Biologen. Sie berichtet, wie neu entdeckte Materialien und Grenzflächenprozesse für vielfältige Anwendungen genutzt werden können.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer Techniken und Materialien, die durch Tissue Engineering zu neuen Behandlungsmethoden für Arthrose führen sollen. Arthrose entsteht durch den irreversiblen Abbau des hyalinen Knorpels in den Gelenken, der schließlich zu Schmerzen und Behinderungen führt. Der vollständige Gelenkersatz ist die klinische Standardbehandlung. Mithilfe von maßgeschneiderten und 3D-gedruckten Bioreaktoren mit elektrischen Durchführungen konnten sie täglich kurze elektrische Impulse an Zellen abgeben, die auf 3D-Graphenschaum kultiviert wurden.
Die Forscher entdeckten, dass die direkte elektrische Stimulation von ATDC5-Zellen, die an den 3D-Graphenschaum-Biogerüsten haften, deren mechanische Eigenschaften deutlich verbessert und das Zellwachstum verbessert – wichtige Kriterien für die Herstellung von Knorpel im Labor. ATDC5-Zellen sind eine murine chondrogene Vorläuferzelllinie, die als Modell für die Knorpelgewebezüchtung gut erforscht ist. Darüber hinaus ermöglichte ihr spezieller Aufbau das vollständige Eintauchen des 3D-Graphenschaum-Gerüsts, wodurch die Zellanhaftung und -integration in dessen poröse Struktur verbessert wurde – ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung künstlicher Gewebe durch elektrische Stimulation über leitfähige Biomaterialien.
„Eine der größten Herausforderungen bei der direkten elektrischen Stimulation von Stammzellen besteht darin, eine wiederholbare Abgabe zu erreichen und gleichzeitig die elektrische Umgebung zu überwachen und diese auf spezifische Zellreaktionen zurückzuführen“, sagte Mone’t Sawyer, Hauptautor der Studie. „Unser System stellt eine modulare und skalierbare Plattform dar, die eine hochdurchsatzfähige, gerüstgekoppelte elektrische Stimulation mit präziser Steuerung ermöglicht – und so neue Möglichkeiten zum Verständnis des Einflusses elektrischer Signale auf die Gewebebildung eröffnet.“
Osteoarthritis zählt weltweit zu den häufigsten Ursachen für Schmerzen und Behinderungen. Aktuell sind über 595 Millionen Menschen davon betroffen – mehr als doppelt so viele wie 1990, als 256 Millionen Menschen betroffen waren. Die wirtschaftliche Belastung ist enorm: Die weltweiten Kosten belaufen sich jährlich auf über 460 Milliarden US-Dollar, einschließlich Gesundheitskosten, Produktivitätsverlusten und behinderungsbedingten Kosten. Allein in den USA verursacht Arthrose direkte und indirekte Kosten in Höhe von 65 Milliarden US-Dollar. In schweren Fällen werden jährlich über eine Million Gelenkersatzoperationen durchgeführt.
DOI
10.1021/acsami.5c02628
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