Wie es das Gesundheitswesen verändern wird

Da Chemiker, Biologen und Ingenieure zunehmend miteinander und mit Ärzten zusammenarbeiten, ist das aufstrebende Gebiet der Hydrogele bereit, die Art und Weise, wie wir Medikamente einnehmen und abgenutzte Gelenke behandeln, zu verändern und den Weg für eine scheinbar Science-Fiction-Zukunft zu ebnen Organe, einschließlich des Gehirns, können direkt mit Maschinen interagieren.

„Wir sind im Wesentlichen Hydrogele“, sagte Benjamin Wiley, PhD, Professor für Chemie an der Duke University in Durham, North Carolina. „Wenn Menschen neue Hydrogele entwickeln, die besser zu den Geweben in unserem Körper passen, werden wir in der Lage sein, eine ganze Reihe von Krankheiten zu behandeln, die wir vorher nicht behandeln konnten.“

Von Kontaktlinsen bis hin zu Gehirnimplantaten

Einfach ausgedrückt ist ein Hydrogel wie ein Netzbeutel mit Wasser.

Das Netz besteht aus Polymeren oder spaghettiartigen Molekülsträngen, die in einem sich wiederholenden Muster miteinander verbunden und durch H. geschwollen sind₂Oh, ähnlich wie die 3D-Matrizen in unserem Körper unsere Zellen und Gewebe umgeben, stützen und ihnen Struktur verleihen.

Während die breitere Kategorie der „Gele“ mit allem gefüllt sein könnte, einschließlich chemischer Lösungsmittel, ist Wasser der Hauptbestandteil, der Hydrogele auszeichnet, was sie ideal für die „Verschmelzung von Menschen und Maschinen“ macht, wie einige Wissenschaftler sagen.

Menschliche Knochen bestehen zu etwa 25 % aus Wasser, während die Muskeln zu etwa 70 % und das Gehirn zu 85 % aus Wasser bestehen. Die seltene Flüssigkeit spielt eine Reihe entscheidender Rollen, vom Transport von Nährstoffen und der Beseitigung von Abfallstoffen bis hin zur Unterstützung der Kommunikation der Zellen untereinander.

Im Labor hergestellte Hydrogele können mit Ladung beladen werden (wie ein Ball in einem Netz), einschließlich Zellen oder Medikamenten, die dabei helfen, einige dieser Funktionen nachzuahmen.

Hydrogele sind außerdem weich und biegsam wie Fleisch. Wenn sie in Implantaten verwendet werden, ist es daher möglicherweise weniger wahrscheinlich, dass sie das umliegende Gewebe schädigen.

„Stellen Sie sich einen Metalllöffel in einer Puddingschüssel vor. Wenn man die Schüssel schüttelt, bleibt der Löffel nicht an Ort und Stelle und es bilden sich Narben um den Löffel herum“, sagte Christina Tringides, PhD, eine Materialwissenschaftlerin, die Neurotechnik studiert. Genau das passiert ihrer Meinung nach bei Gehirnimplantaten, wenn Patienten atmen oder sich bewegen. „Es ist ein mechanisches Missverhältnis. Aber mit Hydrogelen kann man eine perfekte mechanische Passform erreichen.“

Hydrogele sind in der Regel auch ungiftig, sodass sie weniger wahrscheinlich vom Immunsystem als Fremdkörper angegriffen werden.

All dies hat Hydrogele zum neuen Liebling der Welt der Biotechnik gemacht.

„Das Interesse an diesen Materialien ist geradezu explodiert“, sagte Appel.

Intelligentere Medikamentenverabreichung und essbare Elektronik

Frühere Versionen von Hydrogelen waren dick und klebrig, was es schwierig machte, in den Körper zu gelangen.

„Denken Sie an einen Block Gelee. „So etwas kann man nicht spritzen“, sagte Appel.

Aber Appel, dessen Labor neue Systeme zur Medikamentenverabreichung entwickelt, tüftelt seit Jahren an Gelformulierungen in der Hoffnung, dass diese High-Tech-Kugeln eines Tages Medikamente mit verzögerter Freisetzung an die richtige Stelle im Körper befördern könnten.

Das könnte in einer Zeit, in der viele Top-Medikamente – etwa Humira gegen Arthritis oder Ozempic gegen Typ-2-Diabetes – aus schnell abbaubaren Proteinen hergestellt werden, die zu groß und komplex sind, um sie einfach in eine Pille zu stopfen, könnte das von entscheidender Bedeutung sein. Stattdessen müssen sie oft häufig injiziert werden.

„Da es Monate dauert, bis sich das Gel auflöst, gibt es das Medikament mit der Zeit langsam ab“, sagte Appel. „Vielleicht könnten Sie von einer Spritze einmal pro Woche auf eine Spritze alle vier Monate umsteigen.

Solche langsam freisetzenden Hydrogele könnten die Lebensdauer von Impfstoffen verlängern, was wiederum den Körper lehren würde, neuen Virusvarianten besser zu widerstehen und tumortötende Therapien präziser durchzuführen, sagte Appel, der das Startup gründete und hofft, die Entwicklung des ersten Hydrogel-Medikaments zu beschleunigen . Verabreichungssystem innerhalb weniger Jahre in klinische Studien einzuführen.

Unterdessen verfolgte ein anderes Team am Massachusetts Institute of Technology einen anderen Ansatz und entwickelte eine einnehmbare Hydrogelpille in Standardgröße, die sich wie ein Fisch im Magen aufbläht, einen Monat lang hält und dabei das Medikament langsam freisetzt. Um die Pille zu entfernen, trinkt der Patient einfach eine Salzlösung, die das tischtennisballgroße Gerät schrumpft, sodass es aus dem Körper fallen kann.

In der Zeitung in Die Natur der KommunikationForscher haben gezeigt, dass eine Pufferpille auch mit winzigen Kameras oder Monitoren ausgestattet werden kann, um Erkrankungen wie Geschwüre oder Krebs zu überwachen.

„Der Traum besteht darin, eine intelligente Wackelpudding-ähnliche Pille zu haben, die nach dem Schlucken im Magen verbleibt und den Gesundheitszustand des Patienten überwacht“, sagte Xuanhe Zhao, PhD, Projektforscher und außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. .

Gelenke aufbauen und Knochen wachsen lassen

Seit den 1970er Jahren erwägen Wissenschaftler die Verwendung von Hydrogelen als Ersatz für menschlichen Knorpel, ein bemerkenswert zähes und flexibles Gewebe, das zu etwa 90 % aus Wasser besteht, aber das Gewicht eines Autos auf einer Fläche von der Größe einer Münze tragen kann.

Indem sie ihr Hydrogel an einem Titanpolster anbringen, um es festzukleben, hoffen sie, beschädigten Knorpel zu reparieren, „ähnlich wie ein Zahnarzt einen Hohlraum füllt“, lange bevor eine Operation notwendig ist.

Auch sie arbeiteten mit der Industrie zusammen, um ihr Hydrogel auf den Markt zu bringen – angefangen bei den Knien.

„Letztendlich besteht das Ziel darin, jedes Gelenk zu trainieren – Hüften, Knöchel, Finger und Zehen“, sagte Wiley.

Auch die Chemikerin Karina Carneiro, PhD, und der Zahnarzt Christopher McCulloch, DDS, denken an der University of Toronto groß.

In einem aktuellen Artikel in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbeschreiben ein von Carneiro entwickeltes Hydrogel aus DNA, das injiziert werden kann, in einen Knochendefekt eindringt – irreparable Brüche, Löcher nach einer Operation oder altersbedingt ausgetrocknete Kieferknochen – und die Lücke wie ein Dichtungsmittel füllt. Aber es dichtet nicht nur das Loch ab, sondern fördert auch die Regeneration des Knochens.

Bei Ratten mit Löchern im Schädel als Folge der Operation stellten sie fest, dass die Behandlung nicht so gut funktionierte wie der bestehende Goldstandard zur Reparatur von Löchern im Knochen – Knochentransplantation von einer anderen Stelle im Körper. Aber es hat funktioniert.

„Dies sind die Anfänge für DNA-Hydrogele“, warnte McCulloch, Co-Autor der Studie und Professor an der School of Dentistry, und wies darauf hin, dass es wahrscheinlich noch ein Jahrzehnt oder länger dauern wird, bis eine solche Technologie für Patienten verfügbar ist. „Aber es besteht die Möglichkeit, dass DNA-Hydrogel eines Tages Knochen wachsen lassen könnte, ohne dass eine hochinvasive Operation erforderlich wäre.“ Das ist ein bedeutender Fortschritt.“

Science-Fiction-Zukunft

Die vielleicht wildeste und seltsamste mögliche Anwendung von Hydrogelen liegt im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion.

Viele Unternehmen beschäftigen sich bereits mit neuronalen Prothesen oder Gehirn-Computer-Schnittstellen, die es beispielsweise eines Tages einem gelähmten und nicht sprechenden Menschen ermöglichen könnten, mit seinen Gedanken auf einem Laptop zu tippen.