Ein Stützgerüst aus Seide für das Kniegelenk

18. Oktober 2015, 12:00
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Ihre Reißfestigkeit und Dehnbarkeit machen Seide zum idealen Ersatz für ein gerissenes Kreuzband

Wien – Oft trifft es gerade die Jüngeren, die Aktiven. Eine verkehrte Drehung auf der Skipiste oder auf dem Fußballfeld, und schon ist es geschehen: Kreuzbandriss. Für bewegungsfreudige Menschen eine Katastrophe. Jeweils zwei dieser Bänder bilden in den Knien die zentrale Verbindung zwischen Schienbein und Oberschenkelknochen. Ohne sie ist die Stabilität des Gelenks stark beeinträchtigt. Im Gegensatz zu Knochen regeneriert das Bandgewebe leider kaum. Man muss operieren.

Zurzeit werden komplett gerissene Kreuzbänder meist durch eine transplantierte Sehne, entnommen aus den Oberschenkeln des Patienten, ersetzt. Allerdings lassen die Ergebnisse solcher Eingriffe nicht selten zu wünschen übrig. Viele der Behandelten klagen über Folgeschäden wie Schmerzen und Muskelschwäche. Bis zu 50 Prozent von ihnen leiden zudem Jahre später unter Osteoarthritis. Die Knorpelkissen im versehrten Kniegelenk schwinden. Im schlimmsten Fall reiben irgendwann die Gelenkköpfe direkt aneinander. Knochen auf Knochen, ungeschützt. Eine Qual.

Experten suchen schon seit langem nach Ansätzen zur verbesserten Behandlung von Kreuzbandrissen. Man experimentierte zunächst erfolglos mit rein synthetischen Implantaten und kam in den 1990ern auf die Idee, Kreuzbandersatz aus gezüchtetem Gewebe zu entwickeln, sagt der Biochemiker Andreas Teuschl von der Fachhochschule Technikum Wien. Regeneration im Reagenzglas, sozusagen. Auch Teuschl und seine Kollegen arbeiten auf diesem Gebiet. Stammzellen sollten sich entsprechend umwandeln, teilen, und eine neue Bandstruktur mit ihren typischen Bündeln aus Kollagenfasern aufbauen. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von sogenannten Fibroblasten, bereits spezialisierten Zellen aus Kreuzbandgewebe. Auch sie sind noch vermehrungsfähig, ihre Entnahme birgt jedoch das Risiko von Infektionen.

Für eine künstliche Regeneration werden gleichwohl nicht nur geeignete Zellen gebraucht, sondern auch ein Stützgerüst, eine Matrix, worauf sie gedeihen können. Die dazu verwendete Substanz muss mehreren Anforderungen genügen. Das Implantat ist zunächst nur schwach von Zellen besiedelt, das neue Gewebe muss im Knie weiter heranwachsen. Fürs Erste muss das Gerüst seine Funktion übernehmen. "Wenn man also Knorpel und Sehnen ersetzen will, braucht man Material mit einer gewissen Widerstandskraft und Elastizität", sagt Teuschl. Abgesehen davon müsse der menschliche Organismus diesen Stoff problemlos annehmen. Die Lösung heißt: Seide.

Reißfest und dehnbar

Handelsübliche Naturseide wird von Faltern der Art Bombyx mori produziert. Die Tiere spinnen daraus ihre zur Verpuppung benötigten Kokons. Seidenfasern, berichtet Teuschl, werden nicht nur langsam vom Körper abgebaut; sie können es in puncto Reißfestigkeit und Dehnbarkeit ohne weiteres mit Chemieprodukten aufnehmen. Ein wesentlicher weiterer Vorteil sei ihre Biokompatibilität. "Die Seide hat eine sehr regelmäßige Aminosäuresequenz, die eine kompakte Proteinstruktur garantiert." Das Immunsystem erkenne diese nicht als Fremdkörper, Abwehrreaktionen und Entzündungen bleiben aus – aber nur, wenn die Fasern zuvor von ihrer Hülle aus einem anderen Protein, dem Sericin, befreit werden. Letzteres kann Asthma und andere allergische Prozesse auslösen.

Sericin lässt sich durch Kochen in Natronlauge beseitigen. Die Seide büßt dabei jedoch an Flexibilität ein. Dem Wiener Team ist es indes gelungen, ein neues Verfahren zu entwickeln. Statt Natron verwenden die Wissenschafter eine basische Borlösung (vgl. Tissue Engineering C, Bd. 20, S. 431). Durch diesen Kunstgriff kann das Sericin auch von bereits verarbeiteter Seide entfernt werden. Der Clou dabei: Solange ihnen das Klebeprotein anhaftet, sind die Fasern geschmeidig und leicht zu verweben. Ihre Reißfestigkeit wird durch spezielle Verflechtung optimiert, sagt Teuschl. Erst wenn dieser Schritt vollendet ist, löst man das Sericin aus dem Seidenkonstrukt heraus. Mit Natronlauge geht das nicht.

Für die Besiedlung des Implantats greift die Arbeitsgruppe bevorzugt auf Bauchfett als Zelllieferanten zurück. "In jedem Gewebe ist eine gewisse Stammzellenfraktion vorhanden", sagt Teuschl. "Und in Fett ist diese ziemlich hoch." Die Entnahme sei zudem minimal invasiv. Eine ideale Bezugsquelle, denn: "Fettgewebe hat in der heutigen Gesellschaft eigentlich jeder genug."

Die erste Wachstumsphase der verpflanzten Stammzellen findet in einem flüssigkeitsgefüllten Spezialgefäß, einem Bioreaktor, statt. Die bestückte Seidenmatrix wird darin fixiert, und, um das richtige Differenzieren der Zellen anzuregen, mechanischen Kräften ausgesetzt. Dehnen und Tordieren, so wie im Inneren eines Kniegelenks. "Dadurch erfahren die Zellen einen Stimulus", sagt Teuchl. Auch die Steifheit des Materials, worauf sie wachsen, spielt für die korrekte Umwandlung eine wichtige Rolle. Die steuernden biochemischen Signalketten sind allerdings noch nicht genau erforscht.

Bei Schafen getestet

Bioreaktoren bieten viele weitere Möglichkeiten. Mit ihrer Hilfe kann die Entwicklung von bestimmten Krankheiten wie zum Beispiel Osteoarthritis untersucht werden. Die Wiener Experten wollen hierfür gezüchtetes Knorpelgewebe verschiedenen Belastungen unterziehen, um die Stressfaktoren im Gelenk zu simulieren. Die Wirkung von Medikamenten oder der Stoßwellen-Therapie lässt sich ebenfalls in einer solchen Versuchsanordnung beobachten.

Die künstlichen Kreuzbänder auf Seidenbasis wurden bereits in Schafen getestet. "Das ist anatomisch gut vergleichbar", sagt Teuschl. "Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend." Die Tiere konnten normal in der Herde mitlaufen. Neugebildetes Gewebe hatte das Implantatmaterial ersetzt, alles war funktionell. Umfassende klinische Studien mit menschlichen Patienten sind jedoch noch nicht geplant. Bisher fehlen die Finanzmittel. "Dafür brauchen wir Industriepartner." (Kurt de Swaaf, 14.10.2015)

  • In diesem Computertomografie-Scan ist das Kniegelenk eines Patienten mit gerissenem vorderem Kreuzband zu sehen – das verletzte Areal ist gelb eingefärbt. Die Kreuzbänder halten Oberschenkelknochen (dicker Knochen oben) und Schienbein (unten) zusammen.
    foto: picturedesk.com / science photo library

    In diesem Computertomografie-Scan ist das Kniegelenk eines Patienten mit gerissenem vorderem Kreuzband zu sehen – das verletzte Areal ist gelb eingefärbt. Die Kreuzbänder halten Oberschenkelknochen (dicker Knochen oben) und Schienbein (unten) zusammen.

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