Onderzoekers in China en Zwitserland zijn er in geslaagd elektronische bloedvaten te ontwikkelen die ingezet kunnen worden om beschadigde aders te vervangen. De elektronische bloedvaten kunnen bovendien na implantatie actief worden gereguleerd om subtiele veranderingen in het lichaam na implantatie aan te pakken. Tijdens de eerste praktijktests zijn de elektronische bloedvaten met succes in konijnen geïmplanteerd ter vervanging van enkele slagaders.
Volgens de onderzoekers zouden de elektronische bloedvaten de beperkingen van conventionele weefselmanipulatiebloedvaten, of Tissue Engineered Blood Vessels (TEBV's), kunnen overwinnen. Daarnaast zijn de elektronische bloedvaten ook in staat voor de gecontroleerde afgifte van genetisch materiaal en medicijnen. Ze worden gemaakt van een metaal-polymeer geleidermembraan dat flexibel en biologisch afbreekbaar is.
"We nemen de natuurlijke structuur die bloedvaten nabootst en gaan verder door meer uitgebreide elektrische functies te integreren die verdere behandelingen kunnen bieden, zoals gentherapie en elektrische stimulatie", aldus hoofdonderzoeker Xingyu Jiang van de Southern University of Science. and Technology en het National Center for NanoScience and Technology in China.
Ontwikkeling elektronische bloedvaten
Uit eerder onderzoek is een verscheidenheid aan TEBV's ontwikkeld die mechanische ondersteuning bieden voor moeilijk te behandelen blokkades van kleine bloedvaten bij patiënten met hart- en vaatziekten. Deze TEBV's kampen echter met beperkingen. Ze kunnen niet proactief helpen bij het regenereren van bloedvatweefsel en veroorzaken, in tegenstelling tot natuurlijk weefsel, vaak ontstekingen als reactie op de bloedstroom. "Geen van de bestaande TEBV's met een kleine diameter voldoet aan de eisen voor de behandeling van hart- en vaatziekten", aldus Jiang.
Om de beperkingen van bestaande technologieën te overstijgen, ontwikkelden Jiang en collega's biologisch afbreekbare elektronische bloedvaten met behulp van een cilindrische staaf om een metaal-polymeer geleidermembraan op te rollen dat gemaakt was van poly (L-lactide-co-ε-caprolacton). Ze toonden aan dat elektrische stimulatie vanuit het bloedvat in het laboratorium de proliferatie en migratie van endotheelcellen in een wondgenezingsmodel verhoogde. Dat suggereert dat elektrische stimulatie de vorming van nieuw endotheel bloedvatweefsel zou kunnen vergemakkelijken.
De onderzoekers integreerden ook de flexibele circuits van de bloedvaten met een elektroporatieapparaat, dat een elektrisch veld toepast om celmembranen beter doorlaatbaar te maken. Daarbij merkten zij op dat de gecombineerde technologieën met succes groen fluorescerend eiwit-DNA afleverden in drie soorten bloedvatcellen in het laboratorium.
Succesvolle tests
Vervolgens testten de onderzoekers het apparaat in konijnen, waarbij ze hun halsslagaders vervingen door elektronische bloedvaten. Jiang en haar collega's volgden de implantaten drie maanden lang met behulp van doppler-echografie. Daarbij werd ontdekten dat het elektronische bloedvat continu voldoende bloedstroom mogelijk maakte. Met behulp van röntgenfoto's en kleurstof werd in de slagaders gekeken. Die toonden aan dat de kunstmatige slagaders net zo goed leken te functioneren als de natuurlijke, zonder tekenen van vernauwing.
Toen de onderzoekers aan het einde van de periode van drie maanden de implantaten verwijderden en de inwendige organen van de konijnen analyseerden, ontdekten ze geen bewijs dat de elektronische bloedvaten een ontstekingsreactie hadden veroorzaakt.
Doorontwikkeling en AI
De succesvol verlopen tests in konijnen zijn een veelbelovende ontwikkeling. Toch benadrukt Jiang dat er nog heel wat werk verzet moet worden voordat deze nieuwe technologie geschikt is voor toepassing in mensen. Ten eerste zullen er nog meer, uitgebreide, tests op konijnen moeten plaatsvinden. Daarnaast moeten de elektronische bloedvaten worden gecombineerd met kleinere elektronica dan het elektroporatieapparaat dat in deze studie wordt gebruikt voordat ze geschikt zijn voor langdurige implantatie.
"In de toekomst moeten optimalisaties worden doorgevoerd door het te integreren met geminimaliseerde apparaten, zoals geminimaliseerde batterijen en ingebouwde controlesystemen, om alle functionele onderdelen volledig implanteerbaar en zelfs volledig biologisch afbreekbaar in het lichaam te maken", zo licht Jiang toe.
Tot slot hopen de onderzoekers dat de elektronische bloedvaten in de toekomst ook gecombineerd kan worden met kunstmatige intelligentie om gedetailleerde informatie over iemands bloedsnelheid, bloeddruk en bloedglucosespiegels te verzamelen en op te slaan.
