Warum mögen Schwann Zellen Spinnenseide?

Die erfolgreiche Behandlung von peripheren Nervenverletzungen ist eine der größten Herausforderungen in der Medizin trotz Entwicklungen in der regenerativen Medizin, und Nervenfunktionsstörungen können die Lebensqualität der Patienten stark beeinträchtigen. Eine der Methoden zur chirurgischen Behandlung eines verletzten Nervs ist die Verwendung von Nervenleitungen. Dabei handelt es sich um Röhren, die an beide Teile des verletzten Nervs genäht werden und das Wachstum von Zellen und Nervenfasern unterstützen. Filamentmaterialien wie z.B. Fasern, die innerhalb von Nervenconduits verwendet werden, tragen dazu bei, das Ergebnis der Regeneration zu verbessern. Wir haben Spinnenseide als ein von der Natur vorgegebenes Filamentmaterial in Nervenconduits verwendet. Spinnenseide hat unvergleichliche Eigenschaften wie hohe Elastizität und Festigkeit sowie eine gute Wärmebeständigkeit. Bei der Verwendung in Nervenconduits hafteten zudem die Schwann- Zellen, die ein wichtiger Teil des Nervenregenerationsprozesses sind, an der Spinnenseide und bewegten sich gezielt entlang der Spinnenseide. Obwohl diese Eigenschaften einzigartig sind, ist Spinnenseide immer noch ein natürliches Material mit begrenzter Verfügbarkeit. Für die Herstellung einer synthetischen Alternative müssen die Gründe für die Akzeptanz von Spinnenseide durch Schwann-Zellen geklärt werden. Ohne das Wissen über die Eigenschaften von Spinnenseide, die die Nervenregeneration unterstützen, stellt die Bereitstellung kommerzieller Produkte zum Ersatz der Seide eine große Herausforderung dar. In diesem interdisziplinären Projekt folgen wir einem innovativen Ansatz, indem wir die natürlichen Unterschiede zwischen den Seiden von mehreren Spinnen nutzen, um herauszufinden, welche Materialeigenschaften für den Erfolg von Spinnenseide bei der Nervenregeneration verantwortlich sind. Wir verwenden Seiden von verschiedenen Spinnen, um zu untersuchen, ob sie die Schwann- Zellen in Zellkulturexperimenten unterstützen können. Darüber hinaus untersuchen wir die chemischen, mechanischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften der Spinnenseiden sowohl im trockenen als auch im nassen Zustand der Fasern. Diese Kombination von Charakterisierungs- und Zellkulturexperimenten soll die notwendigen Eigenschaften für den Erfolg von Spinnenseide klären. So wird klar, welche Eigenschaften ein synthetisches Material für die medizinische Anwendung besitzen sollte. Das Team, das an diesem Projekt arbeitet, verfügt über komplementäre und interdisziplinäre Expertise: Prof. Christine Radtke mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Nervenregeneration und der Implantation von Nervenconduits, Prof. Helga Lichtenegger, Expertin für Biomaterialien und Techniken zur strukturellen und mechanischen Charakterisierung, und Dr.rer.nat Aida Naghilou mit Erfahrung in Spektroskopie, Optik und Zellkulturstudien zur Nervenregeneration.

In unserem FWF-Projekt haben wir die faszinierenden Eigenschaften von Spinnenseide untersucht, um aufzuklären, warum sie so erfolgreich die Regeneration von Nerven unterstützt. Dafür haben wir Seide von verschiedenen Spinnenarten analysiert, darunter Goldene Radnetzspinnen, Springspinnen, Kreuzspinnen, Vogelspinnen und Luchsspinnen. Unsere Forschung zeigte, dass bestimmte Spinnenseidenarten das Anhaften und die Bewegung von Schwann-Zellen deutlich verbessern. Diese Zellen sind entscheidend für die Heilung von verletzten Nerven. Um zu verstehen, warum das der Fall ist, haben wir die Materialeigenschaften der verschiedenen Seiden untersucht - darunter ihre Festigkeit, die Struktur ihrer Proteine, ihre Wechselwirkung mit Wasser sowie ihr detailliertes Aussehen unter dem Mikroskop. Mithilfe moderner Analysemethoden, unter anderem unter Einsatz von Synchrotronstrahlung, Lipidomik, Proteomik und RNA-Sequenzierung, konnten wir die Seide bis in den Nanobereich hinein untersuchen. Durch die Korrelation von Struktur und Materialeigenschaften von Seide mit dem Verhalten der Schwann-Zellen auf den jeweiligen Seidenarten haben wir zahlreiche wichtige Erkenntnisse gewonnen. Eines unserer wichtigsten Ergebnisse war, dass nicht alle Spinnenseiden gleichermaßen gut geeignet sind, Nervenzellen zu unterstützen. Wir entdeckten, dass verglichen mit der Seide von Goldenen Radnetzspinnen, Springspinnen und Kreuzspinnen, ist die Seide der Luchsspinne weniger effektiv, um Schwann-Zellen bei der Anheftung zu unterstützen. Zum ersten Mal führten wir eine umfassende Untersuchung der dünnen Lipidschicht durch, die die Spinnenseide natürlicherweise überzieht. Dabei zeigte sich, dass das Zusammenspiel der Lipidschicht auf der Seidenoberfläche mit der Proteinstruktur eine entscheidende Rolle dafür spielt, wie gut Schwann- Zellen an die Fasern anheften können. Wir konnten außerdem zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Seide (d.h. wie steif oder flexibel sie ist) direkt mit ihrer Proteinstruktur verbunden sind. Diese Eigenschaften beeinflussen maßgeblich, wie schnell und wie gerichtet sich Schwann-Zellen bewegen. Dies war eine bedeutende Entdeckung, da wir herausfanden, dass eine Seidenart, die bisher kaum Beachtung gefunden hat, am besten geeignet ist, eine schnelle Migration von Schwann-Zellen zu unterstützen. Darüber hinaus stellten wir fest, dass einige Spinnenseiden aus Kokons natürliche Rillen auf ihrer Oberfläche besitzen, die wie mikroskopische Pfade verlaufen. Wir konnten nachweisen, dass diese Rillen die Zellen leiten und ihnen helfen, sich schneller und zielgerichteter zu bewegen. Unsere Ergebnisse sind entscheidend für die Entwicklung neuer Biomaterialien zur Anwendung in der Nervenregeneration. Indem wir verstehen, warum natürliche Spinnenseide so effektiv ist, können wir neue, seideninspirierte Materialien entwerfen, die leichter herzustellen und zu kontrollieren sind, in größeren Mengen verfügbar sind und dennoch in der Lage sind, die Nervenregeneration ähnlich effektiv zu unterstützen wie natürliche Spinnenseide. Solche Materialien könnten neue Möglichkeiten für biomedizinische Anwendungen eröffnen und den Heilungsprozess gezielt steuern und beschleunigen.