Wearable Drug Delivery Device hilft Fröschen, ihre Hinterbeine zu regenerieren.

Ein Team von Wissenschaftlern der Tufts University und der University of Florida hat herausgefunden, dass die Lieferung von Progesteron an eine Amputationsverletzungsstelle die Regeneration von Gliedmaßen bei ansonsten nicht regenerativen Erwachsenen des afrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis) bewirken kann. Das Team schuf einen tragbaren Bioreaktor, der an die Wundstelle angeschlossen war, um das Progesteron für einen Zeitraum von 24 Stunden lokal zu verabreichen, und beobachtete, dass es eine dauerhafte positive Wirkung auf das Gewebewachstum hatte, so dass die Frösche ihre Hinterbeine teilweise regenerieren konnten.

Ein afrikanischer Krallenfrosch (Xenopus laevis) schwimmt in einem Tank. Bildnachweis: Celia Herrera-Rincon / Tufts University.

Viele Tiere sind zur Regeneration fähig – tatsächlich können Planarwürmer und Seegurken ganze Individuen aus Fragmenten laichen, wenn sie in Stücke geschnitten werden.

Eine partielle Regeneration ist bei anderen Arten zu beobachten – Eidechsen rekultivieren Schwänze, einige Krebse rekultivieren Krallen und Rehe rekultivieren Geweihe jedes Jahr.

Afrikanische Krallenfrösche können Gliedmaßen regenerieren, wenn sie sich in ihren Stadien der Kaulquappe und des Frosches befinden, verlieren diese Fähigkeit aber allmählich, wenn sie sich zu Erwachsenen entwickeln. Bislang war nicht bekannt, ob erwachsene Frösche zu einer signifikanten Regenerationsreaktion fähig sind.

„Im besten Fall wachsen erwachsene Frösche normalerweise nur als merkmalsloser, dünner, knorpeliger Stachel nach“, sagt Studienautor Professor Michael Levin, Forscher am Allen Discovery Center der Tufts University.

„Unser Verfahren hat eine regenerative Reaktion ausgelöst, die sie normalerweise nie haben, was zu größeren, strukturierteren Anhängseln führte. Die Bioreaktorvorrichtung löste sehr komplexe Downstream-Ergebnisse aus, die Bioingenieure noch nicht direkt im Mikromanagement umsetzen können.“

Professor Levin und Co-Autoren 3D druckten den Bioreaktor aus Silizium und füllten ihn mit Hydrogel.

Sie schnürten das Hydrogel mit hydratisierenden Seidenproteinen, die Heilung und Regeneration fördern, und fügten dann Progesteron hinzu, das vor allem für seine Rolle bei der Vorbereitung der Gebärmutter auf die Schwangerschaft bekannt ist, aber es hat sich auch als förderlich für die Reparatur von Nerven, Blutgefäßen und Knochengewebe erwiesen.

Erwachsene afrikanische Krallenfrösche (Xenopus laevis) sind in der Lage, eine erhöhte regenerative Reaktion hervorzurufen. Bildnachweis: Herrera-Rincon et al, doi: 10.1016/j.celrep.2018.10.010.

„Wir haben uns Progesteron angesehen, weil es vielversprechend ist, die Reparatur und Regeneration von Nerven zu fördern. Es moduliert auch die Immunantwort, um die Heilung zu fördern, und löst das Nachwachsen von Blutgefäßen und Knochen aus“, sagte die Erstautorin der Studie Dr. Celia Herrera-Rincon, Postdoc-Forscherin an der Tufts University.

„Progesteron kann auch den bioelektrischen Zustand der Zellen regulieren, der dadurch verursacht wird, dass Zellen Ionen über ihre äußeren Membranen leiten, was bekanntlich die Regeneration und die Bildung von Körpermustern fördert.“

Die Forscher teilten die Frösche in drei Gruppen ein: experimentell, kontrollierend und scheinbar. Für die Experimental- und Scheingruppe haben sie das Gerät unmittelbar nach der Amputation an den Fröschen genäht.

In der Versuchsgruppe setzte der Bioreaktor Progesteron an die Amputationsstelle ab. In allen Fällen haben sie die Geräte nach 24 Stunden entfernt.

Als sie die experimentellen Gruppenfrösche zu verschiedenen Zeitpunkten über 9,5 Monate betrachteten, stellten sie fest, dass der Bioreaktor einen Grad an Gliedmaßenregeneration auszulösen schien, der in den anderen Gruppen nicht beobachtet wurde.

Anstelle einer typischen spitzenartigen Struktur führte die Behandlung des Bioreaktors zu einer paddelartigen Formation, die näher an einem vollständig geformten Glied liegt, als es eine ungestützte Regeneration schaffen könnte.

„Die Bioreaktorvorrichtung schuf eine unterstützende Umgebung für die Wunde, in der das Gewebe wie während der Embryogenese wachsen konnte“, sagte Professor Levin.

„Eine sehr kurze Anwendung des Bioreaktors und seiner Nutzlast führte zu monatelangem Gewebewachstum und -strukturierung.“

Die Studienautoren haben sich dann anhand von molekularen und histologischen Analysen mit den regenerierten Strukturen auseinandergesetzt.

Sie sahen, dass im Gegensatz zu den Kontroll- und Scheingruppen die regenerierenden Gliedmaßen der mit dem Bioreaktor behandelten Frösche dicker waren, mit weiter entwickelten Knochen, Innervation und Gefäßbildung.

Bei der Analyse von Videomaterial der Frösche in ihren Tanks stellten sie auch fest, dass die Frösche eher wie unamputierte Frösche schwimmen konnten.

Die Forschung wird in der Zeitschrift Cell Reports veröffentlicht.

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Celia Herrera-Rincon et al. 2018. Kurze lokale Anwendung von Progesteron über einen tragbaren Bioreaktor induziert eine langfristige regenerative Reaktion bei adulten Xenopus Hindlimb. Zellberichte 25 (6): 1593-1609; doi: 10.1016/j.celrep.2018.10.010

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