Spinnenseide

Faszinierende Fäden für die Medizintechnik

Zu sehen ist ein junger Mann, der aus dem Bildhintergrund mit einem Stift an eine Spinne in ihrem Netz im Bildvordergrund tippt.

Im Zeichen der Spinne: An der Universität Bayreuth wird erforscht, was alles in Spinnenfäden steckt und was daraus für die Medizintechnik gemacht werden kann.

Quelle: Universität Bayreuth

Fünfmal fester als Stahl, dabei extrem elastisch, sehr dünn und leicht. Zudem höchst biokompatibel, vom Körper abbaubar und bakteriostatisch. Spinnenseide vereint in sich ganz besondere Eigenschaften, die sie zu einem „Wundermaterial“ für Medizin und Technik machen. Ein Einblick in die aktuelle Forschung. von Anja Speitel

Schon Griechen und Römer setzten Spinnenseide als Wundauflage ein. Auch die moderne Medizin interessiert sich schon seit Jahrzehnten für die Fäden von Spinnen: Spinnenseide ist biokompatibel, zellverträglich, Bakterien mögen sie nicht und der Körper baut sie – je nach Milieu – über verschiedene Zeiträume ohne belastende Rückstände ab, da er die Seidenproteine in Wasser und Aminosäuren spaltet. Zudem ist Spinnenseide bezogen auf die Masse fünfmal so belastbar wie Stahl, extrem elastisch, und sie hat ein Formgedächtnis, leiert also nicht aus. Außerdem ist Spinnenseide wasserfest und hitzestabil bis 200 Grad. Faszinierende Material-Eigenschaften, die auch für innovative Medizinprodukte genutzt werden könnten.

Nervenregeneration und Gewebe-Zucht

Zu sehen ist die goldene Radnetzspinne in ihrem Spinnennetz.

Im Spider Silk Laboratory an der Medizinischen Hochschule Hannover nimmt man den Faden der Goldenen Radnetzspinne unter die Lupe.

Quelle: MHH

An der Klinik für Plastische, Ästhetische, Hand- und Wiederherstellungschirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) wird seit 2004 im „Spider Silk Laboratory“ mit Spinnenseide von Goldenen Radnetzspinnen experimentiert. Im Klein- und Großtier-Modell hat sich das zart-robuste Biomaterial bereits als Nerveninterponat – sozusagen ein Brücke zwischen Nervenenden – bewährt: „Nervenzellen wachsen hervorragend an Spinnenfäden der Gattung Nephila edulis entlang“, berichtet Klinikdirektor Peter Vogt. Als Hüll- und Leitschiene für Tausende der feinen Fäden dient eine Vene. „Sind Nerven zum Beispiel nach Unfällen oder Operationen geschädigt, können selbst langstreckige Defekte so überbrückt werden, was bislang höchst problematisch ist“, so der Professor. „Denn Spinnenseide fördert die Adhäsion und die Proliferation von Zellen. Das Axonwachstum, also das Wanstum von Nervenzellfortsätzen, wird deutlich stimuliert, sodass nahezu die komplette Regeneration peripherer Nerven erreicht werden kann.“ Ihr auf Spinnenseide basierendes Nervenimplantat haben sich die Hannoveraner bereits patentieren lassen. Um es in klinischen Studien zu testen, fehlt es momentan jedoch an Geld.

Die Grundlagenforschung im Spider Silk Laboratory läuft indes weiter. „Spinnenseide kommt bei jeglicher Gewebezucht zum Einsatz“, sagt Laborleiterin Dr. Sarah Strauß. Auf einer Matrix aus Spinnenseide hat das Laborteam bereits Haut, Sehen und Knorpel wachsen lassen. „Die besonderen Oberflächeneigenschaften der Spinnenseide unterstützen die Differenzierung von Stammzellen“, erklärt Strauß. „Die Matrix wird mechanischen Reizen ausgesetzt, wodurch auf Chemikalien verzichtet werden kann.“

Wundabdeckung und Nahtmaterial

Zu sehen ist eine junge Frau, die lächelnd eine Spinne auf ihrem Arm Richtung Kamera hält.

Laborleiterin Dr. Sarah Strauß: „Das Tierwohl steht bei uns ganz oben. Nach der Arbeit bekommen sie zur Belohnung eine Extraportion Grillen.“

Quelle: Karin Kaiser/MHH

Zum Züchten von Haut wird die Seide mit dermalen Zellen besiedelt. Nach vier Wochen intensiver Pflege – Belüftung von oben, Nährlösung von unten – bilden sich hautähnliche Strukturen, die mitsamt der Matrix implantiert werden könnten. Auch pure Spinnenseide hat ihr Potenzial als Wundabdeckung schon am Schaf bewiesen: Hautzellen wandern vom Rand in die Matrix ein, geschädigte Haut wächst gut zu. Im Vergleich zu normaler Wundabdeckung ist die oberste Hautschicht nach der Regeneration dicker.

Zudem forscht die MHH auch an Nahtmaterial. Die sehr dünnen, aber extrem belastbaren und formstabilen Seidenfäden könnten bei mikrochirurgischen Eingriffen von Vorteil sein. Auch dickere Fäden, etwa für eine Sehnennaht, wurden schon im Spider Silk Laboratory hergestellt.

Spinnen melken

Den Rohstoff für ihre Versuche bekommen die Hannoveraner von ihren eigenen Goldenen Radnetzspinnen. Gandhi, Lola und Jana sitzen mit bis zu 150 Artgenossen in einem großen Zimmer an der MHH in ihren Netzen. „Alle unsere Spinnen haben Namen“, sagt Strauß. „Wir müssen die Tiere ja auseinanderhalten können, um Buch zu führen.“ In der Regel muss jedes Tier zweimal pro Woche 15 Minuten „arbeiten“ – der Spinne wird Abseilfaden abgenommen. „Pro Melkvorgang gewinnen wir rund 200 Meter Seide. Bis zu 500 Meter sind möglich, aber das ist extrem anstrengend für die Tiere, man kann sie auch tot melken“, weiß Strauß. Die Biologin bezeichnet die Spinnen als „unsere Partner. Das Tierwohl steht ganz oben. Nach der Arbeit bekommen sie zur Belohnung eine Extraportion Grillen.“ Native Spinnenseide kann zwar ohne Probleme sterilisiert und gelagert werden. Sie als Medizinprodukt zuzulassen, ist jedoch nahezu unmöglich – kommt es bei einem Naturprodukt doch unweigerlich zu Qualitätsschwankungen. Außerdem ist das Melken der Spinnen aufwendig und die so gewonnene Menge an Seide für den industriellen Einsatz nicht ausreichend. 

Künstliche Seidenproteine für Medizin und Industrie

Zu sehen ist eine Hand, die über eine Art Webrahmen mit ganz feinen Fäden streicht.

Spinnenfäden sind extrem fest, dabei höchst elastisch, biokompatibel und bakteriostatisch. Wissenschaftler versuchen, dieses Wunderwerk der Natur auf künstlichem Wege herzustellen.

Quelle: Karin Kaiser/MHH

Weltweit wird daran geforscht, die Seidenproteine ohne Spinnen gewinnen zu können: Mit genveränderten Seidenraupen experimentieren Teams um den Molekularbiologen Donald Jarvis an der University of Wyoming oder den deutschen Spinnenforscher Fritz Vollrath an der University of Oxford. Mit Ziegen, in deren Euter die Proteine gezüchtet werden sollten, probierte es Randy Lewis an der Utah State University – allerdings ohne Erfolg. Vielversprechender sind Tabak- und Kartoffelpflanzen, auf die eine Arbeitsgruppe um Professor Dr. Udo Conrad am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gartersleben setzt. Forscher um Professor Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth (UBT) verwenden Kulturen genveränderter E-coli-Bakterien, um die Eiweiße herzustellen. Dabei sind sie schon so weit, dass die künstlichen Seidenproteine in ersten Produkten zur Anwendung kommen.

Spinnen wie die Spinne

In Planegg bei München sitzt seit 2008 das Biotechnologie-Unternehmen AMSilk, ein Spin-off der Technischen Universität München (TUM). Scheibel, der bis 2007 dort forschte, hat es mitgegründet. Heute fungiert er als Berater und Gesellschafter. 2015 gelang es dem Professor mit seinem Team in Bayreuth, den Prozess der Fadenherstellung in der Spinne zu entschlüsseln – und nachzuahmen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht: Unsere biomimetische Seide besitzt tatsächlich eine mechanische Belastbarkeit wie natürliche Spinnenseide“, erzählt Scheibel begeistert und betont: „Die Bakterien sind ja nur die Rohstoffquelle für die Seidenproteine. Deren Verarbeitung ist die Krux, erst so entsteht das eigentliche Produkt.“ Schon 2013 gelang dem Biochemiker – und damit AMSilk – die Verarbeitung der Proteine zu einer kommerziellen High-Tech-Faser, deren Entwicklung vom Bundesforschungsministerium gefördert wurde. Heute ist sie unter dem Namen „Biosteel“ geschützt. Ein Turnschuh von adidas ist seit November 2016 das erste Produktbeispiel.

Anwendungen im MedTech-Bereich

Zu sehen ist das Portrait eines Mannes im mittleren Alter, mit kurzen dunkelgrauen Haaren, Brille, grün-gestreifter Krawatte, grünem Hemd und schwarzem Sakko, der in die Kamera lächelt.

Professor Thomas Scheibel ist von künstlicher Spinnenseide begeistert: „Unsere biomimetische Seide besitzt tatsächlich eine mechanische Belastbarkeit wie natürliche Spinnenseide.“

Quelle: AMSilk

AMSilk hat über 20 weitere rekombinante Seidenproteine im Portfolio. „So wie es verschiedene Kunststoffe gibt, hat auch jedes Seidenprotein eigene Eigenschaften“, erklärt Scheibel. „Sie können den gewünschten Zwecken angepasst werden: Mal kommt es mehr auf Reißfestigkeit an, mal mehr auf Elastizität.“ „Produkte von AMSilk sind seit einigen Jahren im Bereich funktionale Kosmetik erhältlich. Haut oder Haare werden durch die Seidenbiopolymere unter anderem effektiv vor äußeren Einflüssen geschützt“, sagt Lin Römer, Leiter Forschung und Entwicklung bei AMSilk. Mehr als 20 Patentfamilien hat AMSilk mittlerweile angemeldet, von denen einige bereits erteilt wurden.

Das erste Medizinprodukt der Klasse III will AMSilk gemeinsam mit Partnern in diesem Jahr auf den Markt bringen: ein mit Spinnenseide beschichtetes Brustimplantat. In Studien hemmte die Seidenbeschichtung Entzündungsreaktionen und Verhärtungen des Gewebes (Kapselfibrose). „Die Verträglichkeit verschiedenster Medizinprodukte wird gesteigert, da das darunter liegende Material unsichtbar für den Körper wird“, erklärt Scheibel. „Wir sind dabei, weitere Medizinprodukte bis Klasse III in die Zulassung zu führen“, fügt Römer an. Da die Seidenproteine zu beliebigen Formkörpern verarbeitet werden können, sind neben Beschichtungen für Silikonimplantate, Endoprothesen oder Katheter etwa Sehnen-, Bänder- oder Knochen-Ersatz, Schrauben, Vliesstoffe, Schäume und Netze denkbar. Außerdem wird daran geforscht, die Seidenpartikel als Wirkstoff-Transporter und -Abgaberegulator zu nutzen.

Ob die künstlichen Seidenproteine schnell Einzug in die Medizin halten werden, wird sich jedoch noch zeigen: „Medical Devices unterliegen einem großen Preisdruck“, gibt Dr. Erich Odermatt, Vicepresident von Aesculap zu bedenken. Die AG, ergo Mutterkonzern B. Braun, zählt zu den Industriepartnern von AMSilk und hat bereits mit Herniennetzen aus der Seide experimentiert. „Wir sind stets auf der Suche nach neuen, hochverträglichen Biomaterialien“, so Odermatt. „Die Effizienz neuer Produkte muss die bestehender aber deutlich übersteigen, um sich am Markt zu etablieren.“

Nächste Vision: 3D-Druck von Herzgewebe

Zu sehen ist in der linken Bildhälfte eine Spinne in Ihrem Netz, die gerade eine Fliege gefangen hat. auf der rechten Bildhälfte ist der Gesichtsausschnitt mit Stirnansatz, Augen und Nasenansatz einer Frau zu sehen, die die Spinne ganz nah beobachtet.

In Bayreuth wird weiter an Spinnenseide geforscht. Im Wintersemester 2016/17 hatte dort der Studiengang Biofabrikation seinen Auftakt.

Quelle: Universität Bayreuth

An der Uni Bayreuth wird indes immer weiter an den Spinnenseidenproteinen geforscht. Und so hat Scheibel kürzlich die nächste aufregende Entwicklung präsentiert: einen 3D-Drucker, mit dem man die Seide zusammen mit Zellen als „Bio-Tinte“ verdrucken kann. „Hierdurch bietet sich die Lösung für ein Problem, das bislang nicht lösbar war, nämlich die Regeneration von Herzgewebe“, ist der Professor begeistert. Da Herzmuskelzellen nicht wandern, können sie auch nicht in ein Gerüst einwachsen. „Die einzige Möglichkeit ist also, die Zelle dort abzusetzen, wo sie ihren Job machen soll.“ Die neue Technik nennt sich Biofabrikation. Scheibels Vision: In 20 Jahren steht im OP ein 3D-Drucker, der Ersatzgewebe druckt. Der Chirurg transplantiert dem Patienten dann das neue Spinnenseiden-Herzmuskelzellen-Gewebe an die Stelle, an der es durch den Infarkt Schaden genommen hat. Die Spinnenseide wird nach und nach ersetzt durch das von den neuen Zellen produzierte Gerüst. „Es eröffnen sich neue Dimensionen, die vor 20 Jahren noch völlig unvorstellbar waren“, fasst Scheibel zusammen.

©Medizintechnologie.de

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