Düsseldorf: Die Zukunft gehört der Prothese mit Heilkraft

Düsseldorf (RP). Für Knochendefekte und Knorpelverschleiß gibt es jetzt Aussicht auf besonders verträgliche Implantate. Forscher der Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft sowie der Universität Stuttgart entwickeln für Knochen- und Knorpelersatz Implantate, die die natürliche Umgebung des Körpers nachahmen. Auf diesen Gerüsten entwickeln sich Stammzellen zu Knochen- und Knorpelzellen. Mit einem Implantat, das derart von körpereigenen Zellen überzogen ist, ließe sich in Zukunft schadhaftes Gewebe ersetzen – ohne Nebenwirkungen.

Für Arthrose, bei der Defekte an Knorpel und Knochen der Gelenke auftreten, gibt es bislang noch keine optimale Behandlung. Das könnte sich in Zukunft ändern. Die Forscher untersuchen, wie Materialien beschaffen sein müssen, damit Zellen auf ihnen zu neuem, funktionierendem Knochen- oder Knorpelgewebe zusammenwachsen. "Wir wollen eine Gerüststruktur entwickeln, die adulten Stammzellen – das sind noch nicht spezialisierte Vorläuferzellen – die optimale Umgebung bietet, um sich anzusiedeln, zu wachsen und zu knochen- und knorpelbildenden Zellen zu reifen", erläutert Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Im Gewebe befinden sich Zellen in einem dreidimensionalen Gefüge, der extrazellulären Matrix, mit der sie über feine Kontakte kommunizieren und aus der sie unterschiedliche Reize empfangen. "Mit unseren synthetischen, biomimetischen Matrices ahmen wir diese Gegebenheiten nach", so Hirth.

Die Wissenschaftler machen sich dabei zunutze, dass Zellen im Körper sehr empfindlich auf mechanische Kräfte aus ihrer unmittelbaren Umgebung ansprechen. "Wir haben zunächst systematisch analysiert, mit welchen biochemischen Signalen Zellen auf mechanische Reize verschiedener Oberflächenstrukturen reagieren", sagt Joachim Spatz, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und Projektleiter auf Max-Planck-Seite. Die Forscher haben einen Zellbiochip entwickelt, der in zahlreiche Areale mit jeweils unterschiedlichen Matrices und verschiedenen Nanostrukturen unterteilt ist. Die Nanostrukturen, etwa Nanoinseln aus Gold, werden nach einem jeweils definierten Muster aufgetragen.

Um eine dreidimensionale Matrix für das Grundgerüst eines Implantats herzustellen, haben die Kollegen am Fraunhofer IGB zwei Werkstoffe zu einem Kompositmaterial vereint: Polymilchsäure, ein bioabbaubares und körperverträgliches Polymer, und Hydroxylapatit, ein Mineral, aus dem die Knochensubstanz besteht. Aus dem Kompositmaterial haben die Fraunhofer-Forscher die Strukturen geschaffen, auf denen sich die Stammzellen in den Untersuchungen ihrer Max-Planck-Kollegen zu Knochen- und Knorpelzellen entwickelten.

Doch es geht noch einen Schritt weiter – schließlich sollen sich die Stammzellen auch zu den gewünschten Knochen- oder Knorpelzellen ausbilden. Hierzu benötigen sie auch Wachstumsfaktoren und Hormone. Im Körper wird das Zellwachstum durch Signalproteine gesteuert.

"Damit dieser komplexe Vorgang auch außerhalb des Körpers funktioniert, integrieren wir die Signalproteine in die Matrix. Dann kann sie auch tatsächlich mit den Stammzellen kommunizieren", erklärt Hirth.

Die Forschung an den neuartigen Prothesen läuft noch bis zum kommenden Jahr 2012. Bei erfolgreichem Abschluss könnten selbstheilende Implantate für Knochen und Knorpel bald in die medizinische Praxis gelangen – zum Segen leidender Patienten.