Mit einem ausgeklügelten Mikrogel beschichtete mesenchymale Stromazellen könnten der Schlüssel zur Regeneration fibrotisch veränderten Gewebes sein.
Die Lungenfibrose wurde bislang als größtenteils irreversibler Prozess verstanden, gleich, ob es sich um eine idiopathische oder sekundäre Form handelt (im Rahmen von Autoimmunerkrankungen, medikamenteninduziert, durch inhalative Noxen und weitere). Eine bereits länger erforschte Zellart könnte hier zur Rettung eilen.
Bereits bekannt war, dass mesenchymale Stromazellen (MSC) nachweislich Entzündungen unterdrücken und sich an verschiedene Gewebeumgebungen anpassen können. MSCs unterscheiden sich zwar von embryonalen Stammzellen dadurch, dass ihre Differenzierbarkeit und Teilungsfähigkeit limitiert sind, dennoch sind sie multipotent und selbsterneuernd. Frühere Studien attestierten ihnen jedoch eine begrenzte Wirksamkeit. Sie konnten nur in frühen Erkrankungsstadien etwas ausrichten, solange die entzündliche Aktivität hoch und das Narbengewebe noch im Begriff war, sich zu bilden.
Die Diagnose einer pulmonalen Fibrose wird aber zumeist später gestellt, wenn die Entzündungslevel schon zurückgegangen sind. Ein Forschungsteam der Universität Illinois, Chicago, machte es sich daher zur Aufgabe, eine MSC-basierte Therapie so zu optimieren, dass sie auch in späteren Phasen weiter funktioniert. Ihre spannenden Ergebnisse erschienen Anfang Juni in der Zeitschrift Nature "Biomedical Engineering".1,2
Die Wissenschaftler waren überzeugt: wer die Signale in der Mikroumgebung dieser faszinierenden Zellen genauer versteht, kann diese auch programmieren. Ihre Lösung für kontinuierliche, definierte chemomechanische Reize aus der Zellumgebung bestand in einem Beschichten der Zellen mit einem feinen Mikrogel, so weich wie gesundes Lungengewebe selbst. Und zwar jede einzeln, immerhin haben wir es mit feinsten Luftwegen zu tun. Die Entwicklung dieser dünnen Verkapselung ist dabei genauso erstaunlich wie die Zellen selbst, denn der Beschaffenheit des Mikrogels ist es zu verdanken, dass die MSCs nicht müde werden, Narbengewebe abzubauen und gesundes Gewebe zu regenerieren.
Die Idee der Forscher stützte sich auf das, was aus den oben erwähnten Vorarbeiten bekannt war. Um das Potenzial der MSCs voll zu nutzen, sie also maximal dazu zu stimulieren, "unerwünschtes" Bindegewebe abzubauen, benötigen diese aus ihrer Mikroumgebung ein inflammatorisches Signal. Wir bitten nun auf die Bühne: TNF-alpha. Sie integrierten rekombinantes TNF-alpha in die Beschichtung und die MSCs produzierten fortan eifrig Kollagenase.
"Dies ist wirklich eine der ersten wissenschaftlichen Demonstrationen dafür, dass Kollagenspiegel weit nach einer fibrotischen Schädigung normalisierbar sind und dass die Zellumgebung, nicht nur die Zellen selbst, auf Einzelzell-Ebene auf präzise Art konzipiert werden können“, sagt einer der Studienautoren, Prof. Jae-Won Shin, Pharmakologe und Bioingenieur.
Bis zu diesem Punkt mochte das alles noch sehr nach Laborbank klingen. Die Gruppe testete den Ansatz jedoch bereits an Mäusen, bei denen trotz abklingender Entzündung eine Umkehr des abnormen Gewebeumbaus stattfand: die von den MSCs gebildete Kollagenase baute das überschießende Kollagen im fibrotischen Gewebe ab und förderte dessen Remodelling zurück zu gesundem Gewebe. Nur bei den Versuchstieren, die MSCs mit der TNF-alpha-haltigen Beschichtung erhalten hatten, waren rückläufige Biomarker für Narbenbildung und zunehmende Indikatoren für gesundes Lungengewebe nachweisbar, wie normale Kollagenspiegel und -architektur, normale Faserdichte und normale Mikroelastizität des Lungenparenchyms.
"Unsere Ergebnisse lassen auf einen praktikablen Ansatz zur vorausschauenden Programmierung zellulärer Funktionen für die jeweils angestrebten therapeutischen Ergebnisse schließen", schließt Shin.
Referenzen:
1. Microgel coating gives donor cells a boost in reversing pulmonary fibrosis: Single cell encapsulation in gel can optimize cell-based therapy. ScienceDaily https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210608154422.htm.
2. Wong, S. W. et al. Inhibition of aberrant tissue remodelling by mesenchymal stromal cells singly coated with soft gels presenting defined chemomechanical cues. Nat Biomed Eng 1–13 (2021) doi:10.1038/s41551-021-00740-x.