Regenerative Medizin: Hightech-Fäden geben Zellen Halt

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In einem Gerüst aus hauchdünnen Polymerfäden können sich menschliche Hautzellen ansiedeln. Würzburger Materialforscher haben die Eigenschaften der Hightech-Fasern nun für die Regenerative Medizin optimiert. Quelle: Jürgen Groll

15.12.2010  - 

Die Regenerative Medizin hat zum Ziel, geschädigte Gewebe oder Organe im Körper von Patienten auf biotechnologischem Wege wiederherzustellen. Im Mittelpunkt steht dabei der Zell- oder Organersatz, der entweder durch Transplantation von Ersatzgewebe oder aber durch Ankurbeln der im Körper schlummernden Selbstheilungskräfte erreicht werden kann. Für ein optimales Wachstum von neuem Gewebe benötigen Zellingenieure spezielle Gerüststrukturen, auf denen Zellen sich ansiedeln und heranwachsen können. Materialwissenschaftler der Universität Würzburg haben nun Polymer-Fasern mit interessanten Eigenschaften entwickelt. Wie sie im Fachjournal Nature Materials (12. Dezember 2010, Online-Vorabveröffentlichung) berichten, sind die neuen Hightech-Fäden so beschaffen, dass sich Zellen, nicht jedoch mißliebige Proteine an ihrer Oberfläche anlagern.

Die Anforderungen an Biomaterialien in der Regenerativen Medizin sind hoch: Im menschlichen Körper eingesetzt, müssen solche Gerüststoffe rückstandslos abbaubar sein – und das nicht zu schnell, aber auch nicht zu langsam. Nur ganz bestimmte Zellen sollen sich auf ihnen ansiedeln, sich untereinander verbinden und zu komplexen Strukturen heranwachsen. Andere Substanzen hingegen, wie etwa Proteine und Zellen aus dem Blut, sollten ihnen möglichst fern bleiben. Materialwissenschaftler tüfteln daher an immer raffinierteren Werkstoffen, die möglichst viele der Anforderungen für die Einsatz im Patienten erfüllen.

Mit der Entwicklung von extrem dünnen Polymerfäden, die zu dreidimensionalen Strukturen verwoben werden können, ist nun einem Team um Jürgen Groll vom Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe in der Medizin und der Zahnheilkunde der Universität Würzburg ein entscheidender Schritt voran gelungen. „Es ist uns gelungen, eine Technik zu entwickeln, die solche Fasern in einem einzigen Arbeitsschritt herstellt“, sagt Groll.

Hauchdünne Fäden durch Electrospinning

Die Herstellung von ultradünnen Polymerfasern an sich ist nicht neu. „Electrospinning“ heißt die dahinter steckende Technik. Das Prinzip: An eine Flüssigkeit wird ein elektrisches Feld angelegt, das dünne „Jets“ erzeugt. Die dabei entstehenden Fasern sind äußerst dünn – bis zu zehn Nanometer, also dem Hunderttausendstel eines Millimeters. Groll und seine Mitarbeiter haben diese Technik jetzt einen deutlichen Schritt voran gebracht. Sie haben ein besonderes Makromolekül entwickelt. Gibt man dieses Molekül in die Flüssigkeit, aus der die Fasern hergestellt werden, verändert sich deren Oberfläche radikal. „Dieses Molekül verwandelt die eigentlich wasserabstoßenden Fasern in ‚hydrophile‘, also wasseranziehende Fasern“, erläutert Groll. Damit unterdrückt es die Anlagerung unerwünschter Proteine an der Faseroberfläche. Eiweißmoleküle, die sich unkontrolliert an Polymerfäden anlagern, sind in der Medizin gefürchtet. Dieser Effekt tritt normalerweise sehr schnell auf, wenn Materialien in den Körper eingesetzt werden. „Auf den hydrophoben Oberflächen werden die Proteine schnell denaturiert“, sagt Groll. Durch die ausgelöste Gestaltänderung besteht die Gefahr, dass das Immunsystem aktiviert wird und die Wundheilung gestört, was zu unerwünschten Nebenwirkungen führen kann. „Deshalb ist es äußerst wichtig, die Anlagerung solcher Proteine zu verhindern“, so der Polymerchemiker.

Baugerüst für körpereigene Zellen

Andere Anheftungen sind hingegen erwünscht: Körpereigene Zellen sollen sich an den Faserstrukturen anlagern, untereinander verbinden und zu einer kompakten Struktur heranwachsen. Auf diese Weise können Mediziner beispielsweise dem Körper dabei helfen, großflächige Verletzungen schneller wieder zu schließen. Im Labor arbeiten Wissenschaftler daran, mit Hilfe dieser Fasern neue Gewebe, möglicherweise sogar neue Organe zu produzieren. Dazu konstruieren sie mit den Polymerfäden dreidimensionale Gerüste, auf denen sich anschließend die gewünschten Zellen ansiedeln können – beispielsweise patienteneigene Leberzellen, wenn es darum geht, eine neue Leber herzustellen, oder Knorpelzellen, die Ersatz für zerstörte Gelenkoberflächen schaffen sollen. Der Vorteil solcher Implantate liegt auf der Hand: Weil sich das neue Organ aus Zellen des jeweiligen Patienten entwickelt hat, kommt es nach der Implantation zu keiner Abstoßungsreaktion. Auf eine medikamentöse Therapie, die heutzutage nach Transplantationen mit fremden Spenderorganen zwingend erforderlich ist, kann deshalb verzichtet werden. Und die Fasern werden nach wenigen Monaten rückstandslos abgebaut.

Organe aus dem Zell-Labor

„Je nachdem, welche Zellen sich an den Fasern anlagern sollen, geben wir ihnen die entsprechenden bioaktive Peptide auf der Oberfläche mit“, sagt Groll. Solche Eiweißmoleküle sorgen dafür, dass genau die Zellen angelockt werden, die im jeweiligen Fall benötigt werden. Mit der von Grolls Team entwickelten Technik lassen sich jetzt deutlich schneller als bisher Fasern und Faserstrukturen herstellen und mit den unterschiedlichsten Eigenschaften versehen. Nach Ansicht von Groll wird es die neue Fasertechnik schon in naher Zukunft möglich machen, im Labor Strukturen zu konstruieren, auf denen komplexe Gewebe wachsen können.