Biologisch abbaubare Polymere lassen sich elektrisch zu einer Art Vlies verspinnen, das als Tr\u00e4ger und Wachstumsunterlage f\u00fcr lebende Zellen dient. Damit kann erkranktes oder zerst\u00f6rtes Gewebe regeneriert werden. Im Herz-Kreislauf-Bereich k\u00f6nnten so neue Herzklappen und Herzmuskel-Gewebe gewonnen werden.<\/p>\n
Hauchd\u00fcnn sind die Fasern, die mithilfe des Elektrospinnens hergestellt werden – und damit genau richtig, um als Vlies eine geeignete Tr\u00e4gerstruktur f\u00fcr lebende Zellen zu bilden. Das Verfahren des Elektrospinnens ist eigentlich schon seit Jahrzehnten bekannt, aber erst in j\u00fcngster Zeit wurde es f\u00fcr solche Zwecke in der Biotechnologie und Medizin weiterentwickelt. Als Fasermaterial kommt dabei zum Beispiel Polylactid zum Einsatz, das aus langen Ketten von Milchs\u00e4uremolek\u00fclen besteht. Die Fasern mit einem Durchmesser im Nanometerbereich sollen eine Art Wohlf\u00fchlumgebung f\u00fcr die Zellen sein, in der sie sich teilen und ihre eigene extrazellul\u00e4re Matrix bilden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Daraus ergeben sich gleich mehrere Herausforderungen f\u00fcr die Entwickler der Materialien: Die gew\u00fcnschten Zellen sollen angelockt werden, sich in der synthetischen Struktur dauerhaft ansiedeln und hier von sich aus einen neuen Zell- und schlie\u00dflich Gewebeverband bilden. Au\u00dferdem soll die synthetische Ger\u00fcststruktur im K\u00f6rper des Patienten nach und nach abgebaut werden, und zwar in dem Ma\u00df, wie sich der neue Zellverband bildet und sich damit eigenst\u00e4ndig Halt gibt.<\/p>\n
Ein Team um die Chemikerin Dr. Svenja Hinderer am Stuttgarter Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat sich diesen Herausforderungen gestellt und mit ihren Partnern vom Universit\u00e4tsklinikum T\u00fcbingen und der University of California in Los Angeles UCLA ein besondere Variante des Elektrospinnens entwickelt. \u201eDie Anlage daf\u00fcr haben wir komplett selbst aufgebaut. Im Vordergrund stand zun\u00e4chst das Ziel, zellfreie, mitwachsende Herzklappen zu entwickeln. Dabei griffen wir auf Erfahrungen zur\u00fcck, die bei der Herstellung von Ger\u00fcststrukturen f\u00fcr Luftr\u00f6hren gewonnen wurden\u201c, erkl\u00e4rt Hinderer.<\/p>\n
Im K\u00f6rper sollen Zellen die dreidimensionale Tr\u00e4gerstruktur besiedeln
\nDie Gruppe hat das Elektrospinnen so modifiziert, dass w\u00e4hrend des Prozesses spezielle Proteine als \u201eLockstoffe\u201c f\u00fcr Zellen mit eingesponnen werden. \u201eWir verwenden Proteoglykane wie das Decorin, an das sich Zellen gut anheften k\u00f6nnen. Bei Trachea-Zellen hatten wir bereits gesehen, dass sich die Zelladh\u00e4sion deutlich verbessert, wenn wir dieses Protein in die Ger\u00fcststruktur integrieren\u201c, sagt Hinderer und nennt weitere Vorteile von Proteoglykanen: \u201eSie wirken antiinflammatorisch und dienen auch der Wasserspeicherung. Damit kommen wir der nativen extrazellul\u00e4ren Matrix schon recht nahe. Das passt zu unserer Philosophie, den Zellen eine m\u00f6glichst nat\u00fcrliche Umgebung zu bieten.\u201c<\/p>\n
Im Herz-Kreislauf-Bereich verwendet das Team Proteoglykane f\u00fcr mehrere Anwendungen: Zum einen f\u00fcr ein einspritzbares Gel auf Hyalurons\u00e4urebasis. \u201eEingespritzt in den Infarktbereich, soll es dabei helfen, hier Zellen anzulocken und zu binden, die ein funktionales Herzmuskelgewebe bilden k\u00f6nnen\u201c, so Hinderer. Bei einer weiteren Anwendung werden die Proteine in eine dreidimensionale, fl\u00e4chige Struktur eingesponnen, die entfernt an eine Wundauflage erinnert. Als \u201eHerz-Patch\u201c soll das Material an erkrankten Stellen auf den Herzmuskel gelegt werden, um hier die Bildung von neuem Gewebe zu stimulieren.<\/p>\n
Mit Abstand die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung war die Herstellung neuer Herzklappen mithilfe von Elektrospinning. An Herzklappen werden ganz andere mechanische Anforderungen gestellt als an Herzmuskelgewebe. Darauf musste das Verfahren abgestimmt werden. \u201eDie Abbauzeit f\u00fcr die Fasern muss l\u00e4nger sein als bei einem Herz-Patch, der sich nach kurzer Zeit aufgel\u00f6st hat. Au\u00dferdem muss sich das Material bewegen k\u00f6nnen wie eine echte Herzklappe, es muss die gleichen Scher- und Zugkr\u00e4fte aushalten, den wechselnden Blutdr\u00fccken standhalten, zugleich flexibel und stabil sein. Nur dann ist es den funktionellen Beanspruchungen gewachsen\u201c, sagt Hinderer.<\/p>\n
Herzklappen m\u00fcssen mechanisch einiges aushalten und das Ersatzmaterial ebenso
\nHinderer und ihre Kollegen haben nun differenzierte Anwendungen im Blick. \u201eWir wollen zum Beispiel herausfinden, was alte von jungen Herzklappen unterscheidet, und wir studieren die altersbedingten Gewebever\u00e4nderungen beim Herzmuskel. Dadurch wollen wir erkennen, wie wir die Tr\u00e4gerstruktur jeweils aufbauen m\u00fcssen.\u201c Neben dem Decorin wird eine ganze Reihe weiterer Proteoglykane auf ihre Eignung getestet, sich einerseits gut einspinnen zu lassen und andererseits die Zellansiedlung und Geweberegeneration zu unterst\u00fctzen.<\/p>\n
Der neuartige Gewebeersatz mit Proteoglykanen wurde der Fachwelt im April 2015 auf der Medtec 2015 in Stuttgart vorgestellt. Noch ist allerdings nicht absehbar, wann das Material tats\u00e4chlich marktreif ist und Eingang in die medizinische Versorgung findet. Da es sich um zellfreie Implantate handelt, die erst im K\u00f6rper des Patienten mit Zellen in Kontakt kommen, kann Hinderer zumindest bei der Zulassung mit einem Zeitvorteil rechnen. \u201eAls zellfreies Material muss unsere Entwicklung als Medizinprodukt und nicht als ATMP, also Arzneimittel f\u00fcr neuartige Therapien zugelassen werden, was deutlich aufwendiger w\u00e4re\u201c, so die Forscherin.<\/p>\n
<\/p>\n
Weitere Informationen<\/p>\n
Dr. Svenja Hinderer
\nFraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechik IGB
\nNobelstra\u00dfe 12
\n70569 Stuttgart
\nTel.: 0711\/970-4196
\nFax: 0711\/970-4200
\nE-Mail: svenja.hinderer(at)igb.fraunhofer.de<\/p>\n
<\/p>\n