Faserbasiertes Tissue Engineering

Textiles Ersatzteillager

Künstliche oder natürliche Fasern sind die Grundlage für die Züchtung von menschlichem Gewebe. Noch ist es Zukunftsmusik, irgendwann aber könnten mit Hilfe von Fasermaterial ganze Organe aus dem 3D-Drucker kommen.

Quelle: iStock/belekekin

Mehrschichtige Haut aufbauen, einen Muskel zum Zucken bringen, Knorpel oder Knochen züchten: Weltweit tüfteln Wissenschaftler in der Regenerationsmedizin an künstlichen Organen. Die Grundlage dafür sind innovative Gewebestrukturen. Textile Gerüste dienen als Träger für die Zellverbände. von Beate Wagner

Manche Forscher breiten für ihre Zellen ein Vlies aus, andere stricken oder flechten für ihre Schützlinge. Je nachdem, für welchen Zweck die Wissenschaftler die Textilien zum Tissue Engineering benötigen, werden sie synthetisch oder aus natürlichen Fasern hergestellt. Zellulose ist ein Ausgangsmaterial, aber auch Chitosan, das aus Schalen von Krabben gewonnen wird. Sie alle bilden die Grundlage diverser experimenteller oder bereits zugelassener Gewebeersatzmaterialien.

Die Züchtung von Zellverbänden braucht eine Struktur. Im Körper lagern sich Zellverbände in ein Gerüst aus Bindegewebe an. Im Labor können künstliche oder natürliche Fasern dieses Gerüst nachahmen.

Quelle: Fotolia

All diese Fasern eignen sich als Basis biologisierter Implantate, weil sie den menschlichen Körper nachahmen: Im Körper wachsen Zellen durch das Bindegewebe hindurch und lagern sich daran an. Und sie haben ähnliche physiologische und mechanische Eigenschaften wie die im menschlichen Körper verfügbaren Kollagenfasern.

Textilforscher sind von den Vorteilen der faser- und zellbasierten Implantate überzeugt: Sie sollen biotolerant sein, verbleiben im Körper ohne Abstoßungsprozesse und Zerfallsprodukte und sind teilweise resorbierbar. Zudem sind die mit Stammzellen biologisierten Ersatzteile prinzipiell in der Lage, unter optimalen Bedingungen Blutgefäße auszubilden. Faserbasierte Strukturen können sich Experten zufolge  einzigartig sowohl strukturell als auch mechanisch an die Bedingungen des Empfängergewebes anpassen und so Ersatzknochen, -haut, -knorpel oder -sehnen als Basis dienen.

Der erste textile Muskel hat bereits gezuckt

Wie aktuell die textile Faser als Basis für künstliche Organe ist, zeigt eine Veröffentlichung in dem Fachjournal Science vom Januar: Das Team um Edwin Jager von der Universität in Linköping in Schweden stellt darin neues Textilgewebe vor, das durch elektrische Impulse wie ein Muskel gestreckt und verkürzt werden kann. Die Wissenschaftler entwickelten zunächst mithilfe von Zellulosefasern gestrickte und gewebte Stoffe. Dann beschichteten sie die Stoffe mit einer hauchdünnen Kunststoffschicht als Unterlage für die elektrisch leitfähige Schicht aus Polypyrrol mit elektroaktiven Polymeren. Wurden die so modifizierten Textilien elektrisch stimuliert, zogen sie sich zusammen, konnten aber auch wieder gedehnt werden. Die Forschungen stehen jedoch noch ganz am Anfang. Bisher funktioniert der textile Muskel, der in Zukunft Gelähmten zu Bewegungen verhelfen soll, nur in wässrige Lösung getaucht.

Textile Trendsetter aus Deutschland

Weiter fortgeschritten sind diverse deutsche Entwicklungen mit faserbasierten Werkstoffen. Dazu zählen zum Beispiel bereits zugelassene Gefäßprothesen und Stents ebenso wie die Nervenleitschiene auf textiler Basis, ein Knorpelersatz für Ohrmuscheln und textile Haut für die Nachbehandlung von Brandwunden.

„Faserbasierte Strukturen werden schon in ein paar Jahren gleichwertig neben herkömmlichen Materialien wie Metall oder Keramik auf dem Markt bestehen“, glaubt die Textiltechnikerin und Biomaterialexpertin Dilbar Aibibu vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der Technischen Universität Dresden. „Sicher werden Metallprodukte mit beispielsweise Titan für Knie- und Hüftimplantate immer ihre Berechtigung haben, wenn es um die Festigkeit geht.“

Die Fasern bilden einen Vlies auf dem künstliches Knochen- oder Knorpelgewebe wachsen kann.

Quelle: TU Dresden

Doch auch fasergestützte Biomaterialien werden immer breiter eingesetzt „Bei Gefäßprothesen oder Herniennetzen arbeitet man seit jeher mit Textil“, sagt die Textilforscherin Aibibu. Schließlich lasse sich Weichgewebe im Körper am besten mit textilen Strukturen nachbilden. „Durch die Kombination von verschiedenen Materialien lassen sich aber mittlerweile faserbasierte Matrices herstellen, die ebenso fest, aber längst nicht so steif sind wie beispielsweise ein Metallimplantat“ sagt Aibibu. „ Die zellbasierten Organe fügen sich überdies besser als künstliche Standardmaterialien in den menschlichen Körper ein.“ Implantatbedingte Folgeschäden wie Knochenschwund gebe es bei biologischem Knochenersatz deutlich seltener.

Innovative Zellträger aus Krabbenschalen

Die Forscher der TU Dresden gewinnen Chitosan aus Krabbenschalen und weben den Stoff zu Fasern, auf denen Knorpelzellen optimale Wachstumsbedingungen vorfinden.

Quelle: TU Dresden

Die Wissenschaftlerin erforscht mit ihrem Team beispielsweise Ersatzmaterialien für defekte Knochen oder Knorpel auf Basis von Chitosan. Die biologische Faser fördert das Knochenwachstum, ist resorbierbar, hat antibakterielle Wirkung und wird nicht von den körpereigenen Zellen abgestoßen. Chitosan wird in Dresden nach eigenem Verfahren aus Krabbenschalen zu einem Garn mit definierten Eigenschaften versponnen. „Anschließend entwickeln wir daraus biologisch abbaubare, druckelastische 3D-Flockscaffolds, mit denen sich ein durch Unfall oder Krankheit zerstörter Knorpel- oder Knochendefekt auffüllen lässt“, beschreibt Aibibu. Die extrazelluläre Matrix aus Mikrofasern bildet also das Gerüst für die knochenbildenden und -regulierenden Zellen. Die Zwischenräume des Gerüsts werden mit patienteneigenen Zellen besiedelt.

„Das patentierte Verfahren ist nicht nur für den Ersatz von Knochenknorpel interessant, sondern zum Beispiel auch für die Kieferorthopädie“, sagt Aibibu. „Mittlerweile laufen Gespräche mit der Industrie, die Interesse an dem Patent oder Lizenzen haben.“ Bevor das Produkt allerdings auf den Markt kommt, müssen noch klinische Studien erfolgen. Eine zukünftige Indikation der 3-D-Zellträger sieht Aibibu bei Patienten, die tumor- oder bruchbedingt einen Knochendefekt erlitten haben oder bei denen sich Knochen rund um ein schon länger liegendes Hüftimplantat bereits zurückgebildet hat. Für den routinemäßigen Einsatz als Ersatzmaterial bei degenerativ geschädigten Hüft- und Kniegelenken eignet sich Chitosan hingegen nicht. „Hier sind derzeit Implantate aus mineralischem Material wie zum Beispiel Keramik wegen der Festigkeit noch deutlich besser“, sagt Aibibu.

Künstliche Hautmodelle ersetzen den Tierversuch

Abgesehen von innovativen Fasern wie Chitosan hat sich seit Jahrzehnten Kollagen als Trägerstruktur bewährt. Es ist in diversen medizintechnischen Produkten wie beispielsweise Wundauflagen, Herzklappen, Nahtmaterialien enthalten oder wird zur Blutstillung und zur Geweberegeneration nach Zahnbehandlungen eingesetzt. Als Hauptbestandteil im menschlichen Bindegewebe zeichnet sich das tierische Faserprotein durch Festigkeit und Flexibilität aus, ist biologisch gut verträglich, wird vom Körper vollständig resorbiert und bietet beste Vorraussetzungen, damit sich Zellen auf der Oberfläche anhaften.

Ohr aus dem 3D-Drucker

Ein Ohr aus gedruckten Zellverbänden, die auf Kollagenbasis gewachsen sind.

Quelle: FILK gGmbH

„Kollagen ist das Material, das der Körper als körpereigen erkennt und an das sich die Zellen sofort anheften“, weiß auch Ina Prade vom Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen (FILK) im sächsischen Freiberg. Auch die Biomaterialforscherin nutzt daher die Trägersubstanz, um künstlichen Organersatz zu erstellen. Aktuell versuchen sich die Experten des FILK an dem Verfahren des Bioprintings am 3D-Drucker. Die Forscher drucken Biomaterialien einschließlich lebender Zellen, um damit zum Beispiel ein Ohr zu rekonstruieren. „Die Hoffnung ist, zukünftig kollagenbasierte extrazelluläre Matrix zu nehmen, sie mit verschiedenen Verfahren in eine flüssige Form zu bringen und dann entsprechend der Daten für jeden Patienten individuell auszudrucken“, sagt Prade.

Für die Herstellung kollagenbasierter Medizinprodukte gibt es bereits Standardverfahren. An Herausforderungen beim Bioprinting mangelt es dennoch nicht. So müssen die Forscher zum Beispiel noch einen Weg finden, wie das biologische Material nach dem Drucken ausreichend Festigkeit behält oder wie ein Hohlfasersystem in das rekonstruierte Gewebe eingebracht werden kann, um es zu durchbluten. „Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir erst einmal ein menschliches Ohr auf Kollagenbasis ausgedruckt und untersuchen, wie die Zellen darauf reagieren“, sagt Prade. Alles weitere ist Zukunftsmusik.

Kollagenbasis fördert die Entwicklung von Knorpelgewebe

Dass der Sprung von der experimentellen Forschung an kollagenbasierten Trägerstrukturen in den klinischen Alltag durchaus machbar ist, zeigt die sogenannte matrixgestützte autologe Chondrozytentransplantation (MACT). Die MACT ist eine rein biologische Therapie, bei der Schäden des Gelenkknorpels mittels einer kollagenbasierten Matrix und patienteneigenen, gezüchteten Zellen behandelt werden. Das Verfahren ermöglicht es, nach Verletzungen oder einer seltenen Knochenerkrankung Defekte mit Knorpelzellen aufzufüllen, so dass sich wieder hochwertiges Gewebe entwickelt. „Je größer der Knorpeldefekt ist, umso wichtiger ist die Qualität des regenerierten Knorpels“ sagt Christoph Gaissmaier, Orthopäde und Geschäftsführer der Tissue Engineering Technologies AG (TETEC). Herkömmliche Knochenmark stimulierende Techniken produzierten keinen hyalinen Knorpel, sondern nur minderwertiges Narbengewebe. „Narbiger Faserknorpel hat jedoch eine viel geringere biomechanische Stabilität als hyaliner Knorpel“.

Zellbesiedelte biphasische Matrix.

Quelle: Tetec

Bei der MACT werden zunächst in einer Kniegelenksspiegelung zwei kleine Knorpel-Knochenzylinder aus dem Gelenk entnommen. Aus dieser Biopsie isolieren Experten im Speziallabor Knorpelzellen, vermehren sie und bringen sie auf eine biphasische, dreidimensionale Matrix auf. Innerhalb von nur drei Wochen entsteht so eine Kombination aus autologen Knorpelzellen und einer biphasischen, dreidimensionalen kollagenbasierten Matrix, genannt Novocart 3D. Dieses Produkt wird dann in einem zweiten Eingriff minimalinvasiv in den Knorpeldefekt transplantiert.

Gute Qualität, gutes Ergebnis

„Die Matrix besteht aus einer reißfesten Kollagenmembran und einem Kollagenschwamm“, sagt Gaissmaier. Sie diene einerseits als Transportmittel, um die patienteneigenen Zellen zurück in den Knorpel zu transportieren und dort zu fixieren. „Die Faserstruktur des Kollagen zwingt die Knorpelzellen aber vor allem dazu, wieder ihre typische sphärische Morphologie zu erhalten und ihre typischen Aufgaben als Knorpelzellen nicht zu vergessen“, erklärt Gaissmaier. Die Trägerstruktur sorgt also dafür, dass die Zellen sich wieder zu hochwertigem Knorpelgewebe ausprägen. Gaissmaier ist überzeugt: „ Einzig eine gute Qualität des neu gebildeten Knorpels korreliert auch mit einem guten klinischen Ergebnis.“

„Die MACT ist schon heute eine gute Therapie für Patienten mit lokalisierten Knorpeldefekten, um eine frühzeitige Arthrose zu verhindern“, sagt Gaissmaier. Denn mal ganz abgesehen von akuten Beschwerden: Das Ziel der biologischen Knorpelrekonstruktion ist es, die meist noch jungen Patienten vor einer vorzeitigen Prothesenimplantation zu bewahren. Bei entsprechender Indikation bezahlt die MACT schon heute die gesetzliche Krankenkasse.

© Medizintechnologie.de/ga

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