Forscher entdecken Ursache für asthmatische Lungenkrämpfe
Durch die Entwicklung eines Mikrogeräts, das die Lungenfunktion auf der Ebene einzelner Zellen nachahmt, haben Forscher der Universitäten Rutgers, Yale und Johns Hopkins haben mehr über die Auslösereaktion von Asthmatikern gelernt, was zu einer besseren Behandlung führen kann
Forscher in Rutgers und anderen Einrichtungen haben herausgefunden, wie Muskelkontraktionen (Bronchospasmen) in den Atemwegen, die bei Menschen mit Asthma Atembeschwerden verursachen, entstehen, indem sie ein Mikrogerät entwickelt haben, das das Verhalten der menschlichen Atemwege nachahmt.
Die Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurde, könnte zu neuen Behandlungsstrategien für Atemwegserkrankungen führen, so Co-Autor Reynold Panettieri, Direktor des Rutgers Institute for Translational Medicine and Science.
Bronchospasmen können sowohl bei gesunden Menschen als auch bei Menschen auftreten, die an schweren Atemwegserkrankungen wie Asthma oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) leiden. Zu untersuchen, warum sich die glatte Muskulatur, die die Bronchien umgibt, plötzlich zusammenziehen und zu Atembeschwerden führen kann, ist aufgrund der Komplexität des Bronchospasmus und der Tatsache, dass das menschliche Atmungssystem in Tierversuchen nicht modelliert werden kann, schwierig.
Um die biochemischen und mechanischen Signale zu analysieren, die während der Spasmen zwischen den Zellen auftreten, haben die Forscher ein Mikrogerät – ein „Bronchien auf einem Chip“ von einem Tausendstel der Größe eines menschlichen Haares – geschaffen, das Zellen aus gesunden und asthmatischen Lungen enthält und die Funktion einer Lunge auf Einzelzellniveau nachahmt.
Als sie auf dem Gerät einen simulierten Bronchospasmus auslösten, entdeckten die Forscher, dass die anfängliche Kontraktion die Sekretion von hormonähnlichen Verbindungen auslöst, die entweder eine zusätzliche Verengung hervorrufen oder den Spasmus entspannen können. Bei Menschen mit Asthma ist die glatte Muskulatur, die die Atemwege umgibt, reaktionsfreudiger und zieht sich als Reaktion auf Reize wie Allergene leichter zusammen, was zu ausgedehnten Bronchialkrämpfen, Keuchen und Kurzatmigkeit führt.
Die Forscher fanden auch heraus, dass die Auslösung eines zweiten Asthmaauslösers während eines Bronchialkrampfs zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich dazu führt, dass sich die glatte Muskulatur entspannt und der Krampf aufhört.
Die Behandlungsmethoden für Bronchospasmen haben sich in den letzten 50 Jahren nicht geändert, so Panettieri, da sie bei den meisten – aber nicht allen – Menschen funktionieren. „Mit dem Mikrogerät konnten wir untersuchen, wie einzelne Zellen im Zusammenhang mit der Kontraktion der glatten Muskulatur bei einer Vielzahl von Lungenerkrankungen miteinander interagieren“, so Panettieri. „Die Möglichkeit, die Mechanik auf Einzelzellebene zu untersuchen und Tausende von Zellen gleichzeitig zu betrachten, kann ein wichtiges Screening-Instrument für die Entwicklung neuer Medikamente für Menschen mit Asthma sein, die auf die derzeitige Behandlung nicht ansprechen.“
Die Studie wurde von Steven An, Direktor für Bioengineering am Rutgers Institute for Translational Medicine and Science und Professor für Pharmakologie an der Rutgers Robert Wood Johnson Medical School, und Forschern am Yale University’s Yale Systems Biology Institute und der Johns Hopkins University geleitet.