Selbst mit den Fortschritten der modernen Medizin versiegeln Ärzte Wunden mit Techniken, die für Handwerkskreise anscheinend geeigneter sind als für den Operationssaal: Heftklammern, Nähzeug und Kleber. Dank einer neuen Erfindung wird die Wissenschaft der medizinischen Klebstoffe möglicherweise modernisiert. Die Forscher haben buchstäblich Steine umgedreht, um aus einer unwahrscheinlichen Quelle - den Schnecken - einen neuen superstarken Klebstoff zu entwickeln.
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Der derzeitige Goldstandard für medizinische Klebstoffe ist kein anderer als Sekundenkleber. Der Wirkstoff in Sekundenkleber, Cyanoacrylat, ist die härteste Substanz auf dem Markt, aber stark zu sein ist alles, was es zu bieten hat. Sekundenkleber haftet nicht auf nassen Oberflächen, was bei blutenden Wunden ein Problem darstellt. Einmal auf eine trockene Oberfläche aufgetragen, verfestigt es sich sofort zu einem steifen und unnachgiebigen Kunststoff, der bricht, anstatt sich beim Heilen mit dem Körper zu bewegen. Um das Ganze abzurunden, kann es giftig für lebende Zellen sein.
"Manchmal ist es überraschend, nicht wahr?", Sagt David Mooney über die rustikalen Nähmethoden, die Ärzten zur Verfügung stehen. Mooney ist Professor für Bioingenieurwesen an der Harvard University, dessen Forschung sich mit der Natur befasst, um neue Materialien für medizinische Anwendungen zu entwickeln. "Im Laufe des Evolutionsprozesses müssen sich Organismen einer Reihe unterschiedlicher Situationen stellen", sagt er. Es mag eine Million Jahre dauern, aber in dieser Zeit kann ein Organismus den elegantesten und effektivsten Weg finden, eine Schale wieder aufzubauen oder eine Wunde zu flicken. Menschen greifen nach einem Tacker.
Mooney und sein Team versuchen, ein wenig von der Finesse des Tierreichs in künstliche Lösungen für Probleme zu bringen. Sie nennen es „Bioinspiration“. Jianyu Li, Postdoktorand in Mooneys Labor, machte sich auf die Suche nach einem beispielhaften Kandidaten, der die Kraft und Flexibilität besitzt, um Wunden zu versiegeln und Leben in einem chirurgischen Umfeld zu retten. Nachdem wir die Literatur durchgesehen hatten, „fanden [wir] diese sehr fantastische Kreatur“, sagt Li. "Die Schnecke."
Arion subfuscus ist eine weit verbreitete Orangenschnecke, die in gemäßigten Nordregionen der Welt vorkommt. Sein schützender Schleim hat einen neuen medizinischen Kleber inspiriert. (Wikimedia Commons) Arion subfuscus , die fragliche Schnecke, scheint ein unwahrscheinlicher Kandidat zu sein. Diese unscheinbaren, rostigen Orangenmollusken führen ein einfaches Leben in Gärten und unter Baumstämmen in gemäßigten Nordregionen auf der ganzen Welt und kümmern sich um ihre eigenen Angelegenheiten. Das heißt, bis etwas mit ihnen durcheinander kommt. Wenn ein hungriges Raubtier versucht, etwas zu essen, detoniert die Schnecke einen Cache mit defensivem Schleim.
„Als ich diese Schnecken entdeckte und eine davon auffing, wusste ich, dass dieses Material wirklich erstaunlich ist“, sagt Andrew Smith, Professor für Biologie am Ithaca College und Experte für die biochemischen Eigenschaften von Molluskenschleim, der nicht an der Studie beteiligt war . "Es sickert buchstäblich aus dem Rücken der Schnecke und setzt sich in Sekunden in ein wirklich zähes, elastisches Gel um", sagt er.
"Das Spannende ist, dass das Material sehr zäh ist", sagt Smith. Es kann mehr als das Zehnfache seiner Länge gedehnt werden, wie ein Gummiband, das nicht reißt. Es kann aushärten, bleibt aber flexibel. Im Gegensatz zu Sekundenkleber funktioniert es auf nassen Oberflächen. Und es ist super, super klebrig. Tatsächlich kämpft Smith immer noch darum, seine Laborgeräte zu entsorgen.
Durch die Kraft des Schleims gebannt, machte er sich daran, herauszufinden, wie es funktionierte.
"Ein typisches Gel wie Jell-o ist steif, aber spröde - wenn Sie einen Löffel darauf drücken, splittert es", sagt Smith. Die Schnecken haben einen Weg gefunden, stark zu sein, wo gallertartige Desserts schwach sind. Er entdeckte, dass der Schleim zu 97 Prozent aus Wasser besteht, aber mit zwei verschiedenen Polymeren durchwebt ist. Das erste ist wie ein Maschennetz organisiert; es bietet das starke Rückgrat. Durch das Netz verwickelt sind ausgedehnte Polymerketten, die das Netz bei langen Strecken zusammenhalten. Diese sogenannte Doppelmatrix ist der Schlüssel zur Stärke und Flexibilität des Schneckenschleims.
Dann machen die Schnecken das Ganze klebrig, indem sie es mit positiv geladenen Proteinen auskleiden, die wie atomarer Klettverschluss wirken und es an die negativen Ladungen auf Gewebeoberflächen binden. Das Nettoergebnis? Ein Mund voller undurchlässiger Klebstoffe, wenn ein Raubtier einen Schneckensnack trinkt. Oder die perfekte Inspiration für einen neuartigen, ultrastarken medizinischen Klebstoff.
Dieser zähe Klebstoff wurde auf ein Schweineherz aufgetragen und gedehnt, um die starke Haftung und Haltbarkeit zu zeigen. (Quelle: Jianyu Li et al., Science 2017)Basierend auf Smiths Arbeiten zur Charakterisierung des Schneckenschleims machte sich Li daran, seine Eigenschaften in einem synthetischen Klebstoff zu reproduzieren. Mooney und Li weisen darauf hin, dass Gartenlebewesen niemals geschadet werden, wenn sie ihre Erfindung machen. "Wir haben kein Element von Schneckenschleim in unserem Material", sagt Mooney. "Wir haben es als Inspiration genommen."
Nach einigen Jahren des Versuchs und Irrtums produzierte Li einen Prototyp, der die langlebigen Doppelmatrix-Eigenschaften der Schnecke perfekt imitierte, wie sie in einer Studie beschrieben wurden, die heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde . Die oberste Schicht ist ein Hydrogel, das auf die benötigte Größe zugeschnitten werden kann. Die zweite Schicht wird flüssig auf das Hydrogel aufgetragen und aktiviert die chemische Bindung. "Es ist ein Klebeband, das an etwas sehr Elastischem befestigt ist und sich leicht mit Geweben bewegen kann", sagt Mooney.
Der neue Kleber ist auch bei chirurgischen Eingriffen genau das Richtige. "Es ist nicht so, als ob Sie versehentlich Ihre Haut berühren, sie klemmt, und Sie können sie nicht abziehen", sagt Mooney. Die Chirurgen hätten ungefähr 10 Sekunden Zeit, um den Klebstoff in Position zu bringen. Einmal ausgehärtet, kann der Klebstoff „die Belastungen und Belastungen des Gewebes aushalten“, sagt Li - Belastungen wie ein schlagendes Herz, Atmung und Bewegung.
Mit einem Prototyp stellte das Team seinen Klebstoff auf die Probe. Sie führten mechanische Dehnungsexperimente durch, verwendeten den Klebstoff, um verletzte Rattenleber zu flicken, und zeigten sogar seine Stärke beim Versiegeln eines großen Defekts in einem schlagenden Schweineherz. In jedem Versuch übertraf der von Butzen inspirierte Klebstoff alle im Handel erhältlichen Produkte und bewegte sich flexibel mit heilenden Lebern und pumpenden Herzen, ohne dass eine Toxizität erkennbar war.
Phillip Messersmith, Professor für Bioingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of California Berkeley, der Muscheln als Bioinspiration für Klebstoffe erforscht, teilt die Strategie des Teams, nach der Natur zu suchen, um Probleme zu lösen. "Es ist wirklich eine sehr wichtige Studie", sagt er. „Sehr gut ausgeführt und mit wichtigen Auswirkungen auf medizinische Anwendungen.“ Obwohl Messersmith keine technischen Bedenken hatte, merkt er an, dass für zukünftige chirurgische Anwendungen das Material biologisch abbaubar sein muss.
Glücklicherweise steht eine biologisch abbaubare Version dieser Klebstoffe auf dem Programm. Da ein Patent angemeldet ist, planen Li und Mooney auch zu prüfen, ob ihre Erfindung bei Menschen sicher angewendet werden kann. "Bei menschlichen Patienten steht die Sicherheit an erster Stelle, daher wird es Langzeitstudien geben, um ein hohes Maß an Vertrauen in die Sicherheit zu erreichen", sagt Mooney. Sie entwickeln auch eine Version des Klebstoffs, die an schwer erreichbaren Stellen eingespritzt werden kann, die ausgebessert werden müssen. Inspiriert von einer unauffälligen Schnecke unter den Felsen in Ihrem Garten scheint der Himmel die Grenze für diese Erfindung zu sein.
"Wir haben eine Weile an den Schnecken gearbeitet, und ich war wirklich zuversichtlich, dass dies zu etwas Gutem führen würde", sagt Smith. "Ich habe immer das Gefühl gehabt, dass diese Schnecke bemerkenswert war und Potenzial hatte, zu wirklich nützlichen Klebstoffen zu führen, und wow - sie haben es wirklich gezeigt."
