Regenerationstechnologien – Von Gewebezucht bis Gentherapie

In der Regenerativen Medizin kommt ein vielseitiger Mix an Methoden aus der Zell- und Molekularbiologie, der Chirurgie sowie den Ingenieurs- und Materialwissenschaften zum Einsatz. Wichtigstes Werkzeug der Regenerativen Medizin sind lebende Zellen, die für den Einsatz in einer Therapie noch mit Wirkstoffen oder Biomaterialien kombiniert werden. Die Zellen werden entweder selbst innerhalb des Körpers zur Erneuerung angeregt oder aber im Labor zu Ersatzgewebe herangezüchtet.  Die wichtigsten Regenerationstechnologien sind:

• Gewebeherstellung (Tissue Engineering)
• Zelltherapie
• Anregung körpereigener Regeneration
• Gentherapie

Gewebeherstellung: Das Heranzüchten von einzelnen Zellen und Zellverbänden im Labor ist von zentraler Bedeutung. Sie können einerseits als Ersatzgewebe eingesetzt werden, andererseits aber auch als Modell dienen, um die Funktionsweise von Organen besser zu verstehen. Darüber hinaus eignet sich im Labor hergestelltes Gewebe auch für Medikamententests, um Nebenwirkungen im Modell zu erforschen oder für die Suche nach neuen Wirkstoffen. Die künstliche Herstellung von Geweben in der Kulturschale wird Tissue Engineering genannt. Erstmals 1975 gelang es, menschliche Hautzellen im Labor künstlich zu vermehren. Seitdem macht die Disziplin große Fortschritte. Für einige einfach aufgebaute Ersatzgewebe wie die Oberhaut, Knochen und Knorpel hat die aufwendige Gewebetechnik bereits erste klinische Verfahren hervorgebracht.

Tissue Engineering: Diese Grafik veranschaulicht, wie Gewebe im Labor gezüchtet wird. Patienteneigene Zellen werden in Kulturgefäßen vermehrt. Auf einer Trägerstruktur finden die Zellen Halt und formen ein Ersatzgewebe, das wieder zurückimplantiert werden kann. Quelle: biotechnologie.de

Doch das Züchten von Zellen und ihre Kultivierung im Labor ist ausgesprochen schwierig. Sogenannte biologisch-künstliche (bioartifizielle) Gewebe oder Organe werden in drei Schritten hergestellt: Zellen eines bestimmten Typs werden zunächst gewonnen und vermehrt. Im Labor werden sie auf speziellen Gerüstmaterialien angesiedelt. In Kulturbehältern, den sogenannten Bioreaktoren, werden die Zellen mit den notwendigen Nährstoffen und Sauerstoff versorgt und zu Gewebeverbänden herangezüchtet, bis sie als funktionstüchtiges Transplantat wieder in den Patienten zurückverpflanzt werden können. Die Gewinnung von Zellmaterial ist beim Tissue Engineering der entscheidende Ausgangspunkt. In der Regel werden Zellen verwendet, die vom Patienten selbst stammen. Diese autologen Zellen liefern letztlich Transplantate, die vom Körper nicht abgestoßen werden. Stammen die Zellen von anderen Menschen, spricht man von allogenen Zellen. Entscheidend ist auch das eingesetzte Trägermaterial. Siedelnde Zellen benötigen den Kontakt zu einer solchen Struktur, um tatsächlich wachsen zu können. Dazu werden Trägermaterialien verwendet, die natürlichen oder synthetischen Ursprungs sind. Die Trägersubstanzen werden oft noch zusätzlich mit Biomolekülen oder Wachstumsfaktoren beschichtet, um den darauf siedelnden Zellen so gut wie möglich eine natürliche und reizvolle Umgebung zu bieten. Für eine Vielzahl von Geweben oder Organen entwickeln Bioingenieure derzeit Prototypen und Modelle. Es geht ihnen darum, möglichst dreidimensionale Gewebekulturen zu konstruieren, die wie in der Natur aufgebaut sind. 

Zelltherapie: Neben der Gewebezüchtung geht es in der Regenerativen Medizin oft darum, eine Therapie zu entwickeln, die auf lebenden Zellen basiert. Diese werden dabei wie eine Art Arzneimittel verwendet und in die geschädigten Körpergewebe gespritzt. Dort sollen sie sich möglichst in den benötigten Zelltyp entwickeln und sich integrieren, um letztlich die verlorengegangene Funktion wiederherzustellen oder die Regeneration anzukurbeln. Zumindest eine Form der Zellersatztherapie ist zu einem erfolgreichen Routineverfahren in der Medizin geworden: Die Transplantation von Blutstammzellen aus dem Knochenmark. Akute Leukämien zählen zu den aggressivsten aller Krebsleiden. Oft kann den Betroffenen nur mit einer intensiven Chemo- und Strahlentherapie geholfen werden. Dabei werden unweigerlich das blutbildende System und das Immunsystem zerstört.  Als Ersatz werden dem Patienten gesunde Blutstammzellen übertragen, sie siedeln sich selbstständig im Knochenmark wieder an und bauen ein völlig neues Blutbildungssystem auf, ebenso ein neues Immunsystem (mehr...). Bei Zellersatztherapien für andere Organe und Gewebe stecken die Biomediziner noch in frühen Stadien der klinischen Forschung und Entwicklung. In Frage für eine Zelltherapie kommen geschädigte Organe mit geringen Selbstheilungsfähigkeiten wie etwa das Herz, das Gehirn oder Knorpel. Adulte Stammzellen aus dem Knochenmark scheinen einen anderen, vielversprechenden therapeutischen Effekt zu haben: In herzinfarktgeschädigtes Gewebe injiziert, setzen sie vorübergehend einen Cocktail an Wachstumsfaktoren frei, der offenbar die Regeneration und die Durchblutung anregen kann.

Anregung der körpereigenen Regeneration : Dieser Ansatz verfolgt das Prinzip Hilfe zur Selbsthilfe. Fachleute sprechen hierbei von  „induzierter Autoregeneration“. Durch bestimmte medikamentöse oder medizintechnische Verfahren werden im Körper Heilungs- und Erneuerungsprozesse angeregt und unterstützt. Dazu können biologisch abbaubare Trägermaterialien, die mit bestimmten Wachstums- und Lockstoffen beladen werden, in die geschädigten Gewebe implantiert werden. Für die Regeneration von Nervenfasern werden zum Beispiel sogenannte Leitschienen erprobt. Sie sollen als Lotsen dafür sorgen, dass durchtrennte Nervenbahnen im Körper wieder zueinander finden und miteinander verwachsen. Nach mehreren Monaten werden die Materialien vom Körper abgebaut. Eine weitere Vision, die ohne chirurgischen Eingriff auskommen würde, ist es, Stammzellen im Körper durch Medikamente ganz gezielt anzuregen.

 

So läuft eine Gentherapie ab. In Stammzellen wird mithilfe von Genfähren ein Erbgutabschnitt eingefügt. Dieser soll einen Gendefekt kompensieren helfen.Quelle: biotechnologie.de

Gentherapie: Als eine völlig andere Regenerationstechnologie gilt die Gentherapie, die wie eine Art Gen-Ersatztherapie funktioniert. Sie zielt darauf ab, defekte Erbanlagen in Körperzellen eines Erkrankten mithilfe von gentechnischen Methoden wieder zu reparieren. Dazu wird in betroffenen Zellen eine gesunde Version des fehlerhaften Gens einschleust.

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Die Einsatzgebiete für eine Gentherapie liegen vorrangig in der Behandlung von Erbkrankheiten, die auf Defekten in einzelnen Genen beruhen, oder etwa bei Krebs, wo kranke Zellen gezielt zerstört werden sollen. Knackpunkt bei der Gentherapie ist die richtige Auswahl und Entwicklung der sogenannten Genfähre, mit dem der gesunde Erbgutabschnitt in die Zelle eingebracht werden kann. Die wirkungsvollsten Erbmaterial-Einschleuser sind Viren, die diesen Mechanismus sonst dazu brauchen, um ihr Genom im Körper zu verteilen. Während in den Anfängen der Gentherapie-Forschung die Euphorie zunächst sehr groß war, hat sich inzwischen herausgestellt, dass die Verfahren doch sehr kompliziert und risikobehaftet sind. Besonders in den 1990er Jahren gab es einige harte Rückschläge bei der Behandlung von Patienten mit Gentherapien, die in einigen Fällen sogar zum Tod geführt haben. Doch die Forschung hat in den letzten Jahren wieder sehr ermutigende Schritte nach vorne gemacht (mehr...). So wurden zum Beispiel neue Genfähren entwickelt, von denen deutlich weniger Gesundheitsrisiken ausgehen. Auch deutsche Forscher sind äußerst aktiv daran beteiligt, die Gentherapie voranzutreiben (mehr...).