Vom Labor erstellte Zellen könnten Tumore ins Visier nehmen und Medikamente abgeben

  • 2019

Daniel Hammer / Universität von Pennsylvania

Wir Menschen neigen dazu, über unser Immunsystem nachzudenken Nur wenn es versagt und wir eine Erkältung oder Grippe bekommen. Aber jeden Tag, an dem wir gesund herumlaufen, ist es darauf zurückzuführen, dass weiße Blutkörperchen unermüdlichen Kampf gegen Bakterien, Viren und Parasiten führen, die in unseren Körper eindringen, diese Fremdkörper im Körper aufspüren und beseitigen.

Jede Abwehr kann jedoch überwältigt werden, und unser Immunsystem ist keine Ausnahme. Deshalb versuchen immer mehr Forscher, die Natur zu verbessern und eigene weiße Blutkörperchen zu entwickeln - und lernen vielleicht ein wenig darüber, wie unsere eigenen Zellen dabei arbeiten.

Daniel Hammer, Professor für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie an der University of Pennsylvania, baut im Labor weiße Blutkörperchen aus Kunststoffen auf, die als künstliche Zellwände wirken können. Stellen Sie sich eine Gelkapsel Ihrer bevorzugten Kopfschmerzmedizin vor, jedoch in einem viel kleineren Maßstab und mit einem programmierbaren molekularen Gehirn. Diese synthetischen Zellen, die als Leuko-Polymersomen bezeichnet werden, könnten eines Tages die neuesten Krebsmedikamente direkt an einen Tumor abgeben oder einen chemischen Leuchtturm aussenden, der natürliche weiße Blutkörperchen signalisiert, sich gegen eine Krankheit einzusetzen.

"Letztendlich denke ich, dass wir diese Zellen so programmieren könnten, dass sie Dinge tun, von denen wir nie gedacht hätten, dass weiße Blutkörperchen dazu in der Lage wären", sagt Hammer. Anstatt die Immunantwort zu verstärken, sieht Hammer beispielsweise synthetische Zellen vor, die als Hemmstoffe für die Abwehrkräfte des Körpers wirken könnten und Menschen mit Autoimmunerkrankungen helfen.

Hammer beschäftigt sich seit mehr als einem Jahrzehnt damit, Kunststoffe in Zellstrukturen umzuwandeln, aber erst in den letzten Jahren hat das Feld einen guten Gang eingelegt. Sein Team lernt, die Zielfunktionen zu simulieren, mit denen natürliche weiße Blutkörperchen den Kampf gegen Viren und Bakterien aufnehmen können - was Hammer als eine Art "molekulare Zip-Codierung" bezeichnet - und die adhäsiven Eigenschaften, mit denen sie sich bei ihrer Ankunft behaupten können. Im Jahr 2010 entwickelten Hammer und seine Kollegen von der Duke University synthetische Moleküle, die so geformt sind, als würden sie die weißen Blutkörperchen verwenden, um entzündetes Gewebe zu finden und daran zu haften. In-vitro-Tests haben gezeigt, dass synthetische Zellen entzündetes Gewebe ausfindig machen und daran festhalten können, sobald sie ankommen.

Daniel Hammer / Universität von Pennsylvania

Das ist jedoch nur ein Teil des Prozesses. Sobald ein Leuko-Polymersom an einer infizierten Zelle haftet, muss es seine medizinische Nutzlast freigeben. Letztes Jahr hat das Team von Hammer in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Delaware gezeigt, dass ein bißchen UV-Licht diese biologisch abbaubaren Kunststoffe dazu veranlassen kann, ihren Inhalt aufzulösen und freizusetzen. Dies ist ein früher Schritt in Richtung auf synthetische Zellen, die so programmiert werden könnten, dass sie ihren Inhalt nach Belieben freigeben.

Die synthetischen weißen Blutkörperchen von Hammer sind nicht die einzigen Wirkstoffe, die der Natur Hinweise geben. An der UCLA gehören Tim Deming und sein Team zu den wachsenden Wissenschaftlern, die sich von einigen der bekanntesten Bösewichte der Natur inspirieren lassen: Viren.

Bei aller Verwirrung, die sie verursachen können, sind Viren im Prinzip überraschend einfache Dinge: Schalen aus Lipiden und Proteinen, die sehr gut ihre eigenen RNA in Zellen injizieren können. So vermehren sie sich, was eigentlich alle Viren tun. "Wenn Sie einen Virus als ein sehr effizientes Bereitstellungsvehikel betrachten, versuchen wir das zu replizieren", sagt Deming.

Der Einsatz von Viren zur Abgabe von Medikamenten hat jedoch seine eigenen Probleme. Die erste unter ihnen ist, dass sie immer noch Viren sind. Selbst wenn Sie einem Virus ein nützliches Gen oder ein nützliches Medikament anhängen und es aussenden, um Gutes zu tun, liest der Körper das Virus immer noch als Bedrohung und reagiert entsprechend, um den fremden Eindringling zu eliminieren.

"Viren sind sehr gut darin, ihre Gene zur Verfügung zu stellen", sagt Deming. "Aber unser Körper ist sehr gut darin, Viren zu besiegen. Ihr Immunsystem greift sie an, und Ihre Organe helfen, sie herauszufiltern. Natürliche Viren replizieren sich ebenfalls unglaublich schnell, und unsere medizinischen Viren machen das noch nicht, also werden sie ausgelöscht sehr schnell."

Demings Lösung dieses Problems ist eine Art Trickspiel. Die Forscher verpacken alle Chemikalien, die sie liefern möchten, in einer Hülle, die aus den gleichen Materialien wie die Außenwände eines Virus besteht: Aminosäuren, die sich zu Ketten zusammenfügen. "Wir haben eine Reihe kleiner, identischer Einheiten, die sich zu einer Kugel zusammenfügen, die sich zusammenhalten kann", sagt er. Da Demings Viren jedoch aus Aminosäuren aufgebaut sind, die in einem Labor erstellt wurden, lösen sie nicht die gleichen Alarmglocken aus, die eine ausgehöhlte Virenhülle auslösen kann, wodurch sie möglicherweise dem Immunsystem ein Ende bereiten. Deming und seine Mitarbeiter haben bereits gezeigt, wie kleinere Polypeptidketten sich innerhalb dieser größeren Zellen bewegen und dann durch die künstliche Membran in lebende Zellen gelangen können, wodurch sie ihre medizinische Nutzlast abgeben würden.

Bei diesem organischen Ansatz werden die Festigkeit und Stabilität der von Hammer verwendeten Polymere geopfert, die vom Labor erstellten Zellen können jedoch natürlicher mit dem Körper interagieren. Zum Beispiel hat Demings Labor Polypeptidmembranen gebaut, die ihren Inhalt als Reaktion auf Änderungen der Säuregehalt ihrer Umgebung auflösen und freisetzen. Im Moment sind diese Änderungen nur in Reagenzglasversuchen aufgetreten, bei denen der pH-Wert für lebende Zellen toxisch wäre, aber es zeigt, dass die Forschung auf dem richtigen Weg ist. "Wenn Sie natürliche Materialien verwenden, erkennt der Körper dies und kann damit in Kontakt treten", sagt Deming.

Sowohl im Labor erzeugte Viren als auch die weißen Blutkörperchen besitzen ein großes medizinisches Potenzial, aber für einen Wissenschaftler wie Hammer geht es bei dem Projekt um mehr als nur das. Indem er versucht, etwas von dem zu kopieren, was die Natur getan hat, lernt er auch die unglaubliche Komplexität von Zellen kennen. "Eine Zelle ist eine komplexe Maschine mit vielen, vielen Teilen, die wirklich einfache Dinge erledigt", sagt er.

WIR KOMMEN IN DIE OP ZELLE IM GEFÄNGNIS! Video.

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