Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben ein injizierbares Biomaterial entwickelt, das Gehirnen nach einem ischämischen Schlaganfall tatsächlich helfen könnte, sich zu erholen. In Mausexperimenten verwandelte der Klebstoff den Hohlraum, der von abgestorbenem Hirngewebe hinterlassen wurde, in ein gemütliches Heilungszentrum, das die körpereigenen Immunzellen anzog, neue Blutgefäße sprießen ließ, neuronales Gewebe optimierte und den Nagetieren bessere motorische Fähigkeiten verlieh. Die Ergebnisse wurden in Cell Biomaterials veröffentlicht.

So läuft das mit Schlaganfällen: Millionen Menschen erleiden jedes Jahr einen ischämischen Schlaganfall, bei dem ein Blutgerinnsel den Blutfluss zu einem Teil des Gehirns blockiert. Notfallbehandlungen wie gerinnselauflösende Medikamente oder die physische Entfernung des Gerinnsels können noch lebensfähiges Gewebe retten, aber sobald Hirngewebe abgestorben ist, ist es unwiederbringlich verloren. Schwere Schlaganfälle können ein klaffendes Loch hinterlassen, wo einst Gehirn war, und Rehabilitation kann nur begrenzt helfen – sie unterstützt überlebende Schaltkreise bei der Anpassung, baut aber die verlorene Region nicht wieder auf.

„Sobald Hirngewebe verloren ist, reicht es nicht mehr, den Blutfluss wiederherzustellen“, sagte Tatiana Segura, Inhaberin des Robert-Plonsey-Lehrstuhls für Biomedizinische Technik an der Duke University. „Unser Ziel ist es, den verletzten Raum so zu gestalten, dass Immun-, Gefäß- und Nervenreparaturprozesse zusammenarbeiten können.“

Das Team schuf eine Umgebung im Schlaganfallhohlraum, die mehrere Reparaturarten gleichzeitig unterstützt. Sie verwendeten MAPS – mikroporöse, getemperte Partikelgerüste – bei denen es sich um Hydrogel-Mikropartikel handelt, die sich zu einer porösen Struktur zusammensetzen und ein Gerüst für Zellen bieten, um neuronales Gewebe wieder aufzubauen. Aber sie blieben dabei nicht stehen. Sie wollten auch das Immunsystem nutzen und konzentrierten sich auf Astrozyten, diese sternförmigen Zellen, die schnell auf Hirnverletzungen reagieren. Astrozyten setzen extrazelluläre Vesikel (EVs) frei – winzige Pakete aus Proteinen, Lipiden und genetischem Material, die andere Zellen beeinflussen.

Anstatt EVs einfach in den geschädigten Bereich zu injizieren, hefteten die Wissenschaftler sie chemisch an die Hydrogel-Mikropartikel. Dadurch blieben die Signale innerhalb des Gerüsts konzentriert, sodass eintreffende Zellen eine bessere Chance hatten, mit ihnen in Kontakt zu kommen. „Wir setzen nicht einfach ein Material ins Gehirn“, sagte Segura. „Wir gestalten eine lokale Umgebung, die mehrere Teile der Reparaturantwort koordinieren kann.“

Eine Signalkombination stach hervor: IL-4 und C1q, die hilfreiche Immunzellen wie Makrophagen und eine überraschend hartnäckige Population von Neutrophilen anzogen. Neutrophile sind normalerweise die Bösewichte in der frühen Schlaganfallentzündung, aber die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ihre Rolle nuancierter ist. Später, mit den richtigen Signalen, könnten sie tatsächlich die Reparatur unterstützen. Als die Forscher diese Neutrophilen entfernten, sank die Bildung von Blutgefäßen drastisch und das Gerüst wurde weniger umgebaut – ein Beweis dafür, dass diese Zellen wichtig sind.

„Dieses Ergebnis verändert unsere Denkweise über Neutrophile nach einem Schlaganfall“, sagte Shangjing Xin, leitender Wissenschaftler und Postdoktorand im Segura-Labor. „Ihre Rolle scheint davon abzuhängen, wann sie ankommen, wo sie sich befinden und welche Signale sie aus ihrer Umgebung erhalten. Unsere Studie zeigt eine mögliche technische Strategie, um diese Zellen zum richtigen Zeitpunkt anzuziehen und zu halten.“

Als sich Immunzellen bewegten, bildeten sich im gesamten Hohlraum neue Blutgefäße, und axonale Fasern – die Kommunikationskabel des Gehirns – nahmen sowohl innerhalb als auch um den verletzten Bereich zu. Die Mäuse verbesserten sich auch bei einem Gitterlauftest (der Fehltritte der Vorderbeine misst), und nach acht Wochen waren sie statistisch nicht mehr von gesunden Kontrolltieren zu unterscheiden. Die Verbesserung hielt für den Rest der Studie an.

Das Team versuchte auch EVs ohne das Gerüst, aber sie konnten keine ähnliche Blutgefäßreparatur bewirken. Das Biomaterial ist also nicht nur ein Verabreichungsvehikel – seine poröse Architektur und die Fähigkeit, Signale konzentriert zu halten, sind entscheidend.

Natürlich ist das alles noch präklinisch. Die Behandlung wurde nur an Mäusen getestet, mit direkter Injektion ins Gehirn. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Sicherheit zu bewerten, die Rolle der Immunzellen zu verstehen und zu sehen, ob es in größeren Modellen funktioniert, die näher am menschlichen Schlaganfall sind. Außerdem stammen die EVs derzeit aus Ratten-Astrozyten; die