Erkrankungen wie gastroösophageale Refluxkrankheit, peptische Ulzera oder postoperative Läsionen stellen weiterhin eine hohe klinische Belastung dar. Trotz verschiedener medikamentöser und interventioneller Ansätze bestehen Schwierigkeiten bei der protektiven Abdeckung von Wunden im oberen Gastrointestinaltrakt. Ein wesentliches Problem stellt die stark saure Umgebung im Magen (pH ≈ 2) dar, in der konventionelle Biomaterialien wie Hydrogele ihre strukturelle Integrität und Haftung verlieren.
Neues Hydrogel-Konzept mit stabiler Vernetzung für hohe Säureresistenz
Ein chinesisches Forschungsteam der Hong Kong Polytechnic University in Kooperation mit der Sichuan University entwickelte ein neuartiges ultrastabiles, mucus-inspiriertes Hydrogel (UMIH). Veröffentlicht wurde die Arbeit im Fachjournal 'Cell Reports Physical Science'. Ziel war es, ein Hydrogel zu schaffen, das auch unter extrem sauren Bedingungen Stabilität und Adhäsion behält.
Das Design von UMIH basiert auf drei zentralen Komponenten:
- ein Protein namens ELR-IK24, das unter sauren Bedingungen an Protonen bindet und so die lokale Azidität reduziert,
- Tanninsäure, die die Haftfähigkeit des Hydrogels verstärkt,
- sowie HDI (Hexamethylendiisocyanat), das die Struktur des Hydrogels unter sauren Bedingungen stabilisiert.
Durch diese Kombination entsteht eine dichte Vernetzung aus kovalenten und nichtkovalenten Bindungen, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen säure-induzierten Abbau gewährleistet.
Überlegene Adhäsionskraft und Stabilität in saurem Milieu
In Laboruntersuchungen erreichte UMIH bei pH 2 eine Adhäsionskraft von 64,7 kPa, was einer 15-fach höheren Haftung im Vergleich zu Aluminiumphosphat-Gel entspricht, das als Mukosaprotektivum und Antazidum zur Behandlung von Magenulzera und Reflux klinisch eingesetzt wird. Während letzteres nach drei Tagen vollständig abgebaut war, zeigte UMIH auch nach sieben Tagen in saurer Umgebung noch 50 % seiner ursprünglichen strukturellen Integrität.
Verbesserte Heilung und antimikrobielle Eigenschaften in Tiermodellen
In Ratten- und Schweinemodellen mit ösophagealen Verletzungen überzeugte das Hydrogel durch:
- stabile Adhäsion an der Läsionsstelle,
- beschleunigte epitheliale Remodellierung,
- deutliche Reduktion von Entzündungsreaktionen,
- Förderung der Angiogenese und verbessertem Gewebewachstum.
Zudem hemmte UMIH in vitro das Wachstum von E. coli und S. aureus, was auf ein antimikrobielles Potenzial hinweist, und zeigte in den Tests keine Toxizität gegenüber gastrointestinalen Zelllinien.
Von präklinischen Ergebnissen zu innovativen Therapieansätzen
Das mucus-inspirierte Hydrogel vereint Biokompatibilität, außergewöhnliche Säurestabilität und hohe Adhäsionskraft. Durch seine Leistungsfähigkeit übertrifft es etablierte mukosale Schutzpräparate in präklinischen Untersuchungen deutlich. „UMIH hat Potenzial zur Behandlung von gastroösophagealem Reflux, Magenulzera und zum postoperativen Wundschutz. Es lässt sich zudem endoskopisch applizieren und so für minimalinvasive Therapien nutzen“, sagt Mitautor Bei Li von der Sichuan University, der an der Entwicklung des Hydrogels beteiligt war.
Für die Übertragung in die klinische Praxis sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig. Insbesondere die Validierung von Sicherheit und Wirksamkeit in kontrollierten klinischen Studien wird entscheidend sein, um die Anwendbarkeit in der Humanmedizin zu bestätigen.
Aktuell planen die Forscher, UMIH künftig mit Wirkstofffreisetzungssystemen und implantierbarer flexibler Elektronik zu kombinieren. Auf diese Weise sollen intelligente gastrointestinale Systeme entstehen, die eine gleichzeitige Therapie und ein Monitoring in Echtzeit ermöglichen.
