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Hightech-Fasern für die Organ- und Gewebe-Regeneration

Biologisch abbaubare Polymere lassen sich elektrisch zu einer Art Vlies verspinnen, das als Träger und Wachstumsunterlage für lebende Zellen dient. Damit kann erkranktes oder zerstörtes Gewebe regeneriert werden. Im Herz-Kreislauf-Bereich könnten so neue Herzklappen und Herzmuskel-Gewebe gewonnen werden.

Hauchdünn sind die Fasern, die mithilfe des Elektrospinnens hergestellt werden - und damit genau richtig, um als Vlies eine geeignete Trägerstruktur für lebende Zellen zu bilden. Das Verfahren des Elektrospinnens ist eigentlich schon seit Jahrzehnten bekannt, aber erst in jüngster Zeit wurde es für solche Zwecke in der Biotechnologie und Medizin weiterentwickelt. Als Fasermaterial kommt dabei zum Beispiel Polylactid zum Einsatz, das aus langen Ketten von Milchsäuremolekülen besteht. Die Fasern mit einem Durchmesser im Nanometerbereich sollen eine Art Wohlfühlumgebung für die Zellen sein, in der sie sich teilen und ihre eigene extrazelluläre Matrix bilden können.

Links: Aufsicht eines Scaffolds, das mit einer Pinzette gehalten wird. Rechts: Ausschnittsvergrößerung, die schematisch Zellen im Fasernetzwerk darstellt. © Hinderer/Fraunhofer IGB

Daraus ergeben sich gleich mehrere Herausforderungen für die Entwickler der Materialien: Die gewünschten Zellen sollen angelockt werden, sich in der synthetischen Struktur dauerhaft ansiedeln und hier von sich aus einen neuen Zell- und schließlich Gewebeverband bilden. Außerdem soll die synthetische Gerüststruktur im Körper des Patienten nach und nach abgebaut werden, und zwar in dem Maß, wie sich der neue Zellverband bildet und sich damit eigenständig Halt gibt.

Ein Team um die Chemikerin Dr. Svenja Hinderer am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat sich diesen Herausforderungen gestellt und mit ihren Partnern vom Universitätsklinikum Tübingen und der University of California in Los Angeles UCLA ein besondere Variante des Elektrospinnens entwickelt. „Die Anlage dafür haben wir komplett selbst aufgebaut. Im Vordergrund stand zunächst das Ziel, zellfreie, mitwachsende Herzklappen zu entwickeln. Dabei griffen wir auf Erfahrungen zurück, die bei der Herstellung von Gerüststrukturen für Luftröhren gewonnen wurden", erklärt Hinderer.

Im Körper sollen Zellen die dreidimensionale Trägerstruktur besiedeln

Die Gruppe hat das Elektrospinnen so modifiziert, dass während des Prozesses spezielle Proteine als „Lockstoffe" für Zellen mit eingesponnen werden. „Wir verwenden Proteoglykane wie das Decorin, an das sich Zellen gut anheften können. Bei Trachea-Zellen hatten wir bereits gesehen, dass sich die Zelladhäsion deutlich verbessert, wenn wir dieses Protein in die Gerüststruktur integrieren", sagt Hinderer und nennt weitere Vorteile von Proteoglykanen: „Sie wirken antiinflammatorisch und dienen auch der Wasserspeicherung. Damit kommen wir der nativen extrazellulären Matrix schon recht nahe. Das passt zu unserer Philosophie, den Zellen eine möglichst natürliche Umgebung zu bieten."

Im Herz-Kreislauf-Bereich verwendet das Team Proteoglykane für mehrere Anwendungen: Zum einen für ein einspritzbares Gel auf Hyaluronsäurebasis. „Eingespritzt in den Infarktbereich, soll es dabei helfen, hier Zellen anzulocken und zu binden, die ein funktionales Herzmuskelgewebe bilden können", so Hinderer. Bei einer weiteren Anwendung werden die Proteine in eine dreidimensionale, flächige Struktur eingesponnen, die entfernt an eine Wundauflage erinnert. Als „Herz-Patch" soll das Material an erkrankten Stellen auf den Herzmuskel gelegt werden, um hier die Bildung von neuem Gewebe zu stimulieren.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen elektrogesponnener Trägersubstrate (Scaffolds), die mit Zellen (lila) besiedelt sind. (A) Klappeninterstitialzellen (VIC) auf Polylaktid-Scaffold. (B) Klappenendothelzellen (VEC) auf Polylaktid-Scaffolds. (C) VICs auf Poly(ethylenglykol)dimethacrylat (PEGdma)-PLA Scaffolds. (D) VECs auf PEGdma-PLA Scaffolds. Maßstabsbalken entspricht 15 µm. © www.sciencedirect.com

Mit Abstand die größte 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. „Die Abbauzeit für die Fasern muss länger sein als bei einem Herz-Patch, der sich nach kurzer Zeit aufgelöst hat. Außerdem muss sich das Material bewegen können wie eine echte Herzklappe, es muss die gleichen Scher- und Zugkräfte aushalten, den wechselnden Blutdrücken standhalten, zugleich flexibel und stabil sein. Nur dann ist es den funktionellen Beanspruchungen gewachsen", sagt Hinderer.

Herzklappen müssen mechanisch einiges aushalten und das Ersatzmaterial ebenso

Hinderer und ihre Kollegen haben nun differenzierte Anwendungen im Blick. „Wir wollen zum Beispiel herausfinden, was alte von jungen Herzklappen unterscheidet, und wir studieren die altersbedingten Gewebeveränderungen beim Herzmuskel. Dadurch wollen wir erkennen, wie wir die Trägerstruktur jeweils aufbauen müssen." 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 unterstützen.

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 tatsächlich marktreif ist und Eingang in die medizinische Versorgung findet. Da es sich um zellfreie Implantate handelt, die erst im Körper des Patienten mit Zellen in Kontakt kommen, kann Hinderer zumindest bei der Zulassung mit einem Zeitvorteil rechnen. „Als zellfreies Material muss unsere Entwicklung als Medizinprodukt und nicht als ATMP, also Arzneimittel für neuartige Therapien zugelassen werden, was deutlich aufwendiger wäre", so die Forscherin.

Literatur:

Svenja Hinderera, Jan Seifert, Miriam Votteler, Nian Shen, Johannes Rheinlaender, Tilman E. Schäffer, Katja Schenke-Layland. Engineering of a bio-functionalized hybrid off-the-shelf heart valve. Biomaterials 2014 Feb;35(7):2130-9. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.10.080

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/hightech-fasern-fuer-die-organ-und-gewebe-regeneration