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Anita Ignatius macht Biomaterial schlau

Wissen um des Wissens willen ist Anita Ignatius’ Sache nicht. „Bei mir stand immer die Anwendung im Mittelpunkt“, sagt die 45-jährige Veterinärmedizinerin. Den Traum von der eigenen Praxis beerdigte ein theorielastiges Studium beinahe von selbst. Das hatte auch sein Gutes, denn die gebürtige Mainfränkin wusste nun, was sie wollte: Forschen mit Praxisbezug. Das tut sie seit 1993 am Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik des Ulmer Uniklinikums.

Prof. Dr. Anita Ignatius, Direktorin des Instituts für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik © Pytlik

Dort stieg die junge Wissenschaftlerin zur namhaften Biomaterialforscherin auf, trug maßgeblich zum Erfolg der stark interdisziplinär ausgerichteten Einrichtung bei. 2009 hat die Karriere der Anita Ignatius ihren vorläufigen Höhepunkt erreicht: Sie erhielt Ende 2008 den Lehrstuhl und folgte ihrem wissenschaftlichen Mentor Lutz Claes als Institutsdirektorin nach, verlockender Rufe anderer Universitäten zum Trotz.

Mittlerweile - darauf weist Ignatius mit ein wenig Genugtuung in der Stimme hin – genießt der Arbeitsbereich „ihres Instituts“ allerhöchste gesundheitspolitische Beachtung. Erkrankungen und Verletzungen der Haltungs- und Bewegungsorgane reißen die größten Löcher in die Gesundheitskasse - heißt es im aktuellen Bericht des Gesundheitsforschungsrates 2007 - und verlangen nach der Art von Forschung, wie sie auf dem Ulmer Eselsberg seit Jahren geleistet wird.

Fächerübergreifender Ansatz

Für Ignatius ist diese Bestätigung auch ein Beleg gegen das, was sie „Mainstreamforschung“ nennt. Davor war und ist das inzwischen auf 42 Köpfe angewachsene Ulmer Institut stets gefeit gewesen. Seine Ingenieure, Mediziner, (Molekular-)Biologen, Physiker, oder Informatiker waren und sind stets in große und damit meist internationale Forschungsverbünde eingebunden gewesen. Auch deshalb hat die Forscherin Anita Ignatius die sonst übliche Postdoc-Zeit im Ausland nicht vermisst: „Dieser fächerübergreifende Aspekt hat die Arbeit immer reizvoll und spannend gemacht“, und internationale Kooperationen gab es zuhauf.

Nicht bloßer Ersatz, sondern Regeneration

Mesenchymale Stammzellen auf einem Trägermaterial aus Polymerfasern. © Ignatius

In Ulm übernahm Ignatius rasch die Biomaterialforschung und etablierte das Zelllabor. Im Fokus stehen Ersatzmaterialien für Knochen wie Keramiken, resorbierbare Polymere auf Basis von Polylactiden oder –glycoliden oder Metalle. So entstand am Ulmer Institut beispielsweise ein resorbierbarer Knochenstift zur Frakturfixation.

Das Ziel, sagt die Institutsdirektorin, ist heute immer noch dasselbe, Biomaterialien und Implantate zu optimieren. Deren Anforderungsprofil ist allerdings anspruchsvoller geworden: verträglich sollen sie sein und mit Zellen und Gewebe wechselwirken. Die Entwicklungen zielen nicht mehr auf bloßen Ersatz, sondern auf Regeneration.

Mit Tricks Biomaterialien „heimisch“ machen

Herausgefunden hat ihre Forschergruppe in Zusammenarbeit mit den Orthopäden der Uni Ulm, dass speziell beschichtete Metalle die Anhaftung unerwünschter Proteine verhindern, gewünschte wie die von Stammzellen fördern. Diese Beschichtungen sollen für „Scaffolds“ beim Gewebeersatz von Knochen und Bändern eingesetzt werden. Zusammen mit Chemikern und Transfusionsmedizinern der Uni Ulm entwickelt das Team um Ignatius bioaktive Beschichtungen, die biologisch aktive Faktoren gezielt freisetzen und die Geweberegeneration fördern sollen.

Funktionelleres Ersatzgewebe

Auch natürliche Trägermaterialien (Seide oder Kollagen) verwendet das Team um Anita Ignatius als Kultursysteme für mesenchymale Stammzellen, Osteoblasten und Zellen der Bandscheibe und dem vorderen Kreuzband. An diesen Materialien wird der Einfluss mechanischer Reize auf dreidimensional kultivierte Zellen untersucht. Mechanische Reize will Ignatius in der regenerativen Therapie einsetzen, um funktionellere, also mit biologischen Funktionen ausgestattete Ersatzgewebe zu erzeugen.

Mechanische Reize: das Mittel zum Zweck

Mit Fluoreszenzfarbstoffen markierter, neu gebildeter Knochen in den Poren eines Scaffolds für das Tissue Engineering. © Ignatius

Dieses Ziel verfolgten weitere Projekte, in denen das Team um Ignatius den Einfluss mechanischer Belastung auf mesenchymale Stammzellen, Tenozyten und Osteoblasten in Kollagenscaffolds oder neu entwickelten synthetischen Matrices untersuchte. Die Idee dahinter: Die Zellfunktion soll durch Anwendung mechanischer Reize gesteuert werden, denn der Knochen spricht im Gewebe auf diese sehr stark an. Diesen Ansatz verfolgt Ignatius auch auf zellbiologischer Ebene: Hier untersucht sie, wie sich mechanische Reize auf Zellen des Bewegungsapparates auswirken, wie die Zelle Reize erkennt und verarbeitet. Heilung und der Wiederaufbau von muskuloskelettalem Gewebe werden nach Ignatius’ Worten wesentlich von diesen mechanischen Reizen beeinflusst.

Das Geheimnis der Mechanotransduktion entschlüsseln

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Osteoblasten in einem Kollagengel, das mechanischen Dehnungen ausgesetzt wurde. Zu sehen sind, wie sich Fasern und Zellen in Richtung der Dehnung orientieren. © Ignatius

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen neue therapeutische Strategien bei gestörter Heilung und degenerativen Erkrankungen entwickelt werden.
In jüngerer Zeit richtet sich das Augenmerk der Forscherin vermehrt auf die Regenerationsvorgänge in degenerativen oder verletzten Geweben, vornehmlich bei erkrankten, alternden Patienten. Diese Ausrichtung scheint Anita Ignatius entgegen zu kommen, die von sich sagt: „Relevante Themen sind mir wichtig“.

Welche Mechanismen stecken hinter der Osteoporose?

Damit meint sie aktuelle Verbundprojekte, die sich mit der Osteoporose und polytraumatisierten Patienten beschäftigen. Zusammen mit Kollegen aus Würzburg, Hamburg und München versucht Anita Ignatius die Mechanismen aufzuklären, die der gestörten Knochenregeneration bei der Osteoporose zugrunde liegen.

In vielen unfallchirurgischen und orthopädischen Kliniken stehen die Mediziner vor dem Problem, dass sich osteoporotische Frakturen nur schwer versorgen lassen, denn poröse Knochen lassen sich nur schwer stabilisieren, zudem heilt der osteoporotische Knochen schlechter. In einem anderen Vorhaben, das Ignatius mit den Unfallchirurgen der Uni Ulm durchführt, soll untersucht werden, ob Faktoren, die nach einer Verletzung systemisch freigesetzt werden, die Funktion von Stamm- und Knochenzellen beeinflussen. Damit könnte vielleicht erklärt werden, warum Frakturen bei polytraumatisierten Patienten schlechter heilen.

Neu entwickeltes Scaffold für das Tissue Engineering von Knochengewebe im Rahmen des EU-Projektes STEPS © Ignatius

Vereinter Kampf gegen Erkrankungen des Bewegungsapparates

Als Institutsdirektorin wird Anita Ignatius nicht zur Forschungsmanagerin mutieren. Aber koordinieren und die vermeintlich verschiedenen Disziplinen zusammenbringen, die sich mit den Erkrankungen des Bewegungsapparates beschäftigen, ist ihr ein großes Anliegen. Aus dem immanent interdisziplinären Ansatz des Ulmer Instituts heraus ist Ignatius an dem Zentrum für Muskuloskelettale Forschung der Universität Ulm beteiligt, dem die Forschungsabteilungen der Ulmer Unfallchirurgie und der Orthopädie und ihr Institut angehören.

Hoffen auf Schützenhilfe der Materialforscher

Trotz vieler kleiner Fortschritte in den Bereichen Biomaterialen und Tissue Engineering weiß die Forscherin Anita Ignatius, dass viele Chirurgen immer noch vor der ungelösten Herausforderung stehen, große Knochendefekte zu vaskularisieren. Immer noch fehlen „ideale“ Trägermaterialien. Hier erhofft sich Ignatius Schützenhilfe von der Materialforschung, denn alleine werden sich ihrer Meinung nach zellbasierte Therapien nicht durchsetzen, das funktioniere nur im Verbund. Genau darin ist das Ulmer Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik überaus erfahren.

Glossar

  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Stammzellen sind Zellen, die die Fähigkeit zur unbegrenzten Zellteilung besitzen und die sich zu verschiedenen Zelltypen ausdifferenzieren können. Stammzellen können aus Embryonen, fötalem Gewebe und aus dem Gewebe Erwachsener gewonnen werden. In Deutschland ist die Gewinnung embryonaler Stammzellen verboten.
  • Tissue Engineering beruht darauf, lebende Zellen eines Organismus außerhalb eines Körpers zu kultivieren und ggf. mit extrazellulären Komponenten biologischer oder synthetischer Art zu kombinieren. Anschließend werden die bioartifizellen Regenerate oder Konstrukte wieder in den Organismus implantiert.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Unter Degeneration verstehet man in einem medizinisch-biologischen Sinn die Rückbildung und den Verfall von Zellen, Geweben oder Organen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Polylactide (auch Polymilchsäuren, PLA) sind Polymere aus Milchsäure. Sie werden zum einen in der Verpackungsindustrie eingesetzt und sind zum anderen interessant für medizinische Anwendungen, da es sich sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff handelt.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Osteoporose (Knochenschwund) ist die Abnahme der Knochenmasse, -struktur und -funktion im zunehmenden Alter. Durch den Schwund verliert der Knochen Stabilität wodurch Folgeerscheinungen wie verschiedene Arten von Knochenbrüchen auftreten können. Ursachen können Bewegungsmangel, falsche Ernährung, lange Kortisionbehandlungen oder genetische Vorbelastungen sein. Eine Behandlung kann zum Beispiel mit Bisphosphonaten erfolgen, die eine Apoptose der Osteoklasten (knochenabbauende Zellen) induzieren.
  • Kollagene sind Strukturproteine im Gewebe von Wirbeltieren. Es ist wesentlicher Bestandteil des Bindegewebes bzw. der extrazellulären Matrix zwischen den Zellen. Ein Kollagenmolekül besteht aus jeweils drei Polypeptidketten, die sich helical umeinander winden. Hauptbestandteil dieser Polypeptidketten sind die Aminosäuren Glycin, Prolin und Hydroxyprolin. Kollagenfasern besitzen eine sehr hohe Zugfestigkeit und sind Komponenten von Knochen, Zähnen, Knorpel, Sehnen, Bänder und der Haut.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
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