Forscherinnen und Forscher der EPFL haben einen Durchbruch bei der Behandlung von Tracheomalazie erzielt. Diese Erkrankung ist durch eine Schwächung des Knorpels und der Muskeln in der Luftröhre gekennzeichnet, die normalerweise die Atemwege offen halten, um eine gesunde Atmung zu ermöglichen. Das Team, bestehend aus Ingenieuren der EPFL und Spezialisten für pädiatrische Atemwegschirurgie des CHUV, hat erfolgreich ein neues, haftendes Hydrogelpflaster entwickelt, das die Tracheomalazie wirksam korrigieren kann, was bessere Behandlungsmöglichkeiten für diese komplexe Erkrankung verspricht. Der Machbarkeitsnachweis wurde kürzlich in iScience veröffentlicht.
Die Tracheomalazie ist eine relativ häufige angeborene Erkrankung, die sich bei Neugeborenen und Säuglingen oft in einem übermäßigen Kollaps der Atemwege, manchmal bis hin zur vollständigen Blockierung, äußert. Die derzeitigen Behandlungsmethoden, wie die Rekonstruktion der Luftröhre, die Tracheoplastik und das Einsetzen eines Stents, führen häufig zu schweren und dauerhaften Schäden an diesem lebenswichtigen Organ. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben sich Forscherinnen und Forscher sowie Chirurginnen und Chirurgen mit der Entwicklung einer neuen Strategie befasst: ein nicht-invasiver extraluminaler Patch aus selbsthaftendem Hydrogel zur Unterstützung der geschwächten Luftröhre.
Hydrogel ist ein weiches, biokompatibles und biologisch abbaubares Material. Es wird immer häufiger in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, aber es ist das erste Mal, dass Bioingenieure seine strukturellen Eigenschaften zur Linderung von Tracheomalazie erforschen. Anhand von Tier- und numerischen Modellen haben die Ingenieure Ece Uslu und Vijay Kumar Rana vom Labor für Orthopädische Biomechanik (LBO) nachgewiesen, dass ein Hydrogelpflaster mit geeigneten mechanischen Eigenschaften und Haftkraft die physiologische Form der Luftröhre wirksam aufrechterhalten kann. Um dies zu erreichen, werden neue Hydrogele synthetisiert, um die Herausforderungen des Kollapses der Atemwege zu bewältigen. Die Forscherinnen und Forscher arbeiteten mit dem Labor für Hämodynamik und kardiovaskuläre Technologie (LHTC) zusammen, wo Sokratis Anagnostopoulos wesentliche numerische Studien durchführte.
Ein Hydrogel-Pflaster unterstützt geschwächte Atemwege und korrigiert die Obstruktion um 50%.
"Diese Forschung stellt einen großen Fortschritt bei der Lösung der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Behandlung von Tracheomalazie dar", sagte Prof. Dominique Pioletti, Leiter des LBO und Hauptforscher des Projekts. "Das adhäsive Hydrogel-Patch, das wir in Zusammenarbeit mit dem CHUV entwickelt haben, ist sehr vielversprechend. Es könnte die Luftröhre mechanisch unterstützen und einem Kollaps der Atemwege vorbeugen."In diesem erfolgreichen Machbarkeitsnachweis zeigte das neue Klebe-Hydrogel-Pflaster eine starke Haftung auf feuchten Trachealoberflächen und stützte strukturell eine unter Unterdruck vollständig kollabierte Trachea, indem es ihr Volumen um bis zu 50% vergrößerte. Diese ermutigenden Ergebnisse ebnen den Weg für die potenzielle Verwendung von Klebehydrogelen als neuen Ansatz in der klinischen Behandlung von Tracheomalazie. "Wir sind optimistisch, dass dieser Machbarkeitsnachweis gelingt, da die Vergrößerung der Öffnung einer vollständig kollabierten Luftröhre um 50 % ausreicht, um die schweren Symptome der Tracheomalazie zu lindern", sagte Dr. Kishore Sandu, Koautor des Artikels und Leiter der Abteilung für pädiatrische Atemwegschirurgie am CHUV.
Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren der EPFL und Spezialisten für pädiatrische Atemwegschirurgie des CHUV
"Es war sehr interessant, unterschiedliche Sichtweisen zusammenzubringen und Fortschritte in Richtung einer lang erwarteten Lösung für ein komplexes medizinisches Problem zu machen", sagt Dr. François Gorostidi, Co-Autor des Artikels und pädiatrischer Atemwegschirurg am CHUV. Die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Chirurgiespezialisten und Ingenieuren bei diesem Projekt hing davon ab, dass man im Operationssaal und im Labor genau auf die spezifischen Bedürfnisse jedes Einzelnen hörte. "Ingenieure und Chirurgen sprechen nicht immer die gleiche Sprache. Wir mussten also zunächst einmal lernen, miteinander zu arbeiten. Aber die Entwicklung einer technischen Lösung für eine Erkrankung mit begrenzten Behandlungsmöglichkeiten erwies sich als sehr vielversprechend", erklärt Kishore Sandu.
Die Zusammenarbeit wird fortgesetzt, und die Forscherinnen und Forscher legen Wert darauf zu betonen, dass der Prozess äußerst iterativ ist. Es dauerte drei Jahre und Hunderte von Formulierungen des Hydrogels, um diese beeindruckenden Ergebnisse zu erzielen. Chirurgische Spezialisten und Ingenieure werden nicht aufgeben, bis ihre Lösung für die Tracheomalazie die Türen des Operationssaals passiert. Damit würde das oft unlösbare Problem für Ärzte, die die Atemwege von Neugeborenen mit invasiven Lösungen freilegen müssen und dabei unvermeidliche negative Folgen riskieren, ein Ende finden.
