Parasitärer Wurm inspiriert zu besserem medizinischen Klebeband

Angenommen, Sie möchten die nächste Generation medizinischer Klebebänder herstellen. Sie möchten etwas, das die Haut und andere Organe während der Heilung zusammenhält. Sie möchten, dass es praktischer ist als Nähte und weniger brutal als Klammern. Es muss leicht haften, festhalten und sich schmerzfrei lösen lassen.

Es gibt schlimmere Orte, um nach Inspiration zu suchen als die Eingeweide eines Fisches.

Im Fischdarm lebt eine Gruppe von Parasiten, die als Stachelkopfwürmer oder Acanthocephalans bezeichnet werden. Ihr auffälligstes Merkmal ist eine mit Stacheln bedeckte Schnauze, mit der der Wurm in die Darmwände seines Wirts sticht. Sobald er sich im Inneren befindet, spannt er zwei Muskeln an und die lange Schnauze schwillt schnell zu einer Knolle an, wodurch der Wurm an seinem Platz verankert wird. Der festsitzende Parasit kann nun tief aus dem über ihn fließenden Fluss an Nährstoffen trinken und diese über die Haut aufnehmen.

Für die Fische stellt der stachelige Kopf des Wurms eine Gefahr für die Gesundheit dar. Für Jeffrey Karp war es etwas, dem man nacheifern konnte. Sein Team am Brigham and Women's Hospital in Boston hat viele Jahre damit verbracht, medizinische Klebstoffe zu entwickeln und sich dabei stets von der Natur inspirieren zu lassen. 2008 entwickelten sie beispielsweise ein Klebeband, das den Füßen eines Geckos nachempfunden ist. Und letztes Jahr haben sie künstliche Mikronadeln auf Basis der Stacheln eines Stachelschweins entwickelt, deren Struktur es ihnen ermöglicht, leicht ins Fleisch zu stechen, sich aber nur schwer wieder herauszuziehen.

Geckos sind bekanntermaßen klebrig und Stachelschweine sind bekanntermaßen stechend, aber Karp erkannte auch, dass Parasiten fantastische Möglichkeiten haben müssen, sich an ihren Wirten festzuklammern. So stieß er auf die Stachelkopfwürmer und insbesondere auf eine Art: Pomphoryhnchus laevis.

Karps Teammitglied Seung Yun Yang ahmte die Haken von P.laevis nach, indem er zweischichtige Mikronadeln herstellte. Sie haben einen steifen, kegelförmigen Kern aus Polystyrol, der von einer weichen Außenschicht aus Polyacrylsäure bedeckt ist – einer absorbierenden Chemikalie, die in Wegwerfwindeln verwendet wird. Wenn die Nadeln das Fleisch durchbohren, bleiben die Kerne gleich, während die äußeren Schichten schnell Wasser aufnehmen und anschwellen, genau wie die Schnauze von P. laevis. Die geschwollenen Spitzen ähneln Pfeilspitzen und fixieren die gesamten Nadeln. Wenn ein Verband oder ein Stück Klebeband mit diesen Nadeln ummantelt wird, halten sie problemlos zwei Gewebestücke zusammen.

Für Karp besteht die offensichtlichste Anwendung der wurmbasierten Nadeln darin, Hauttransplantate an Ort und Stelle zu halten. Diese Hautflecken werden oft verwendet, um klaffende Wunden nach Verbrennungen, Traumata oder größeren Operationen zu schließen. Derzeit befestigen die meisten Chirurgen sie am Patienten, indem sie sie an den Rändern festheften oder festnähen. Aber diese Methoden haben Probleme.

Insbesondere Klammern dringen so tief ein, dass sie Gewebe, Blutgefäße und Nerven schädigen können. Durch das zerrissene Gewebe entsteht ein Loch, das etwas breiter als die Breite der Heftklammer ist und einen einfachen Zugang für infektiöse Bakterien bietet. Und da die Klammern nur an den Rändern angebracht werden, kann sich Flüssigkeit im zentralen Raum ansammeln und verhindern, dass das Transplantat mit der darunter liegenden Haut verschmilzt.

Im Gegensatz dazu hatten die wurmbasierten Flecken ständigen Kontakt mit dem Fleisch, über dem sie saßen. Sie schädigen das darunter liegende Gewebe kaum und die geschwollenen Spitzen verschließen automatisch alle dadurch entstehenden Löcher und verhindern so das Eindringen von Bakterien. Sie sind außerdem stärker als aktuelle Klebstoffe. Als Yang 100-Nadel-Pflaster herstellte und sie an der Haut und dem Darm toter Schweine testete, erforderte das Herausziehen mehr als dreimal so viel Kraft wie bei normal gehefteten Transplantaten.

Karpfennadeln haben noch weitere Vorteile. Im Gegensatz zu Nähten sind sie einfach anzubringen und funktionieren im Gegensatz zu den meisten Bandagen und Pflastern gleichermaßen gut auf trockenen und nassen Oberflächen. Dies bedeutet, dass sie auch im Körper verwendet werden könnten, um Sehnen oder Bänder an Ort und Stelle zu halten oder um Lecks im Darm oder in der Lunge abzudichten. „Das könnte ein universeller Kleber für Weichgewebe sein“, sagt Karp.

Andere Gruppen haben versucht, Mikronadelpflaster herzustellen, die die gleiche Aufgabe erfüllen, aber diese sind in der Regel steif, sodass sie in die Haut eindringen können. Dies bedeutet, dass die Nadeln durch unangenehme Bewegungen im Fleisch eines Patienten abbrechen können. Karp hingegen sagt: „Das Wurmsystem ist beim Eindringen steif, aber nach dem Anschwellen kann man die Pflaster drehen, ohne dass die Mikronadeln brechen.“

Und im Gegensatz zu den meisten Mikronadeln bleiben die wurmbasierten Nadeln aufgrund der geschwollenen Köpfe und nicht aufgrund der nach hinten gerichteten Widerhaken an Ort und Stelle. Wenn sie abgezogen werden, können die Spitzen zusammengedrückt werden, um durch die bereits gemachten Löcher zu passen, und da sie keine Widerhaken haben, bleiben sie beim Herausziehen nicht am Gewebe hängen. Sobald die Nadeln entfernt werden, nehmen sie innerhalb von nur 15 Minuten wieder ihre ursprüngliche Form an, während sich die Löcher, die sie hinterlassen, innerhalb einer Stunde schließen.

Mikronadeln können auch zur Injektion von Medikamenten und zur Gewebefixierung verwendet werden. Tauchen Sie ihre Spitzen einfach in die Droge Ihrer Wahl und sie geben sie langsam an das umgebende Fleisch ab, wenn sie anschwellen. Und sobald Sie sie entfernt haben, können Sie sie wieder verwenden.

Und was ist, wenn Sie sie überhaupt nicht entfernen möchten? „Wir entwickeln derzeit eine abbaubare Version“, sagt Karp.

Referenz: Yang, Cearbhaill, Sisk, Park, Cho, Villiger, Bouma, Pomahac & Karp. 2013. Ein bioinspirierter, quellbarer Mikronadelklebstoff zur mechanischen Verzahnung mit Gewebe. Naturkommunikation. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2715