Mit Glas gegen Arthrose

Forschungsteam der TH Nürnberg und der Paracelsus Medizinischen
Privatuniversität im Klinikum Nürnberg entwickelt Glas zur
Knorpelregeneration

Arthrose ist die häufigste Gelenkerkrankung und noch immer unheilbar. Ein
wichtiger Schritt, um die Entstehung einer Arthrose zu verhindern, ist die
frühzeitige Behandlung von Gelenkknorpelverletzungen. Einem Forschungsteam
der TH Nürnberg und der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität im
Klinikum Nürnberg ist es nun gelungen, Gewebe im Labor zu züchten, das
später bei Defekten implantiert werden kann. Dafür haben sie ein
spezielles Glas entwickelt, auf dem die Zellen wachsen können und das sich
nach der Implantation im Körper restlos auflöst. Dabei setzt es Ionen
frei, die die Knorpelzellen aktivieren können. Die STAEDTLER Stiftung
fördert das Projekt mit 40.000 Euro.

Nürnberg, 18. März 2020. In den letzten Jahrzehnten ist die
Lebenserwartung der Menschen weltweit gestiegen. Zudem hat sich ihr
Lebensstil geändert und ist zunehmend durch mangelnde Bewegung und nicht
angepasste Essgewohnheiten geprägt. Daraus folgen im Alter Schädigungen
und Versagen der Organe – insbesondere der Bewegungsapparat ist davon
betroffen. Die am weitesten verbreitete Gelenkerkrankung ist die Arthrose,
die noch immer als unheilbar gilt und im fortschreitenden Verlauf
irreversible Schädigungen und den allmählichen Verlust des Gelenkknorpels
verursacht. Prof. Dr. Armin Lenhart und Prof. Dr. Sven Wiltzsch von der
Fakultät Werkstofftechnik der TH Nürnberg ist es gemeinsam mit Prof. Dr.
Gundula Schulze-Tanzil und Clemens Gögele von der Abteilung für Anatomie
der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität im Klinikum Nürnberg
gelungen, auf einem neuartigen Trägermaterial Knorpelgewebe im Labor
herzustellen, das dazu dienen kann, in Gelenke implantiert zu werden.
Damit haben sie eine neue Möglichkeit zur zukünftigen Behandlung von
Knorpelverletzungen und zum Abwenden der Entstehung von Arthrose
entwickelt.
Die letzte Möglichkeit, bei weit fortgeschrittener Arthrose wieder
schmerzfrei zu sein und die Gelenkfunktionen wiederherzustellen, ist
bislang die Implantation einer Gelenkprothese durch einen chirurgischen
Eingriff. „Da die Arthrose oft als Folge von Gelenkknorpelverletzungen
entsteht, ist die Behandlung von Gelenkknorpeldefekten ein wichtiger
Schritt, um die Entstehung einer Arthrose zu verlangsamen oder zu
verhindern. Bei kleineren Knorpeldefekten können sogenannte
Knorpelknochenzylinder aus nicht belasteten Knorpelbereichen entnommen und
in den Defekt transplantiert werden. Das hat aber den entscheidenden
Nachteil, dass an der Entnahmestelle ein Sekundärdefekt entsteht“, so
Prof. Dr. Sven Wiltzsch von der TH Nürnberg.
Bei großen Knorpeldefekten, für die bisher keine geeignete
Behandlungsmöglichkeit existiert, hat die Transplantation von in der
Zellkultur gezüchteten Knorpelzellen zunehmend an Bedeutung gewonnen.
Dabei ist das „Tissue Engineering“ eine vielversprechende Strategie. Im
ersten Schritt werden körpereigene Zellen im Labor auf einen geeigneten
Träger aufgebracht und in einem Kultivierungsmedium zum Wachstum und zur
Vermehrung des gewünschten Gewebes angeregt. Im zweiten Schritt wird
dieses Gewebe mit einem entsprechend geformten Trägermaterial als
Implantat an der Körperstelle chirurgisch eingesetzt. Der Träger soll sich
dann allmählich auflösen und dabei aktivierende Ionen freisetzen. Er wird
dabei durch das von den implantierten Zellen neu gebildete Gewebe ersetzt
werden. „Bisherige Laborergebnisse mit herkömmlichen Biomaterialien als
Träger haben gezeigt, dass eine Ansiedlung und Vermehrung von
Knorpelzellen mit entsprechender Bildung von Ersatzgewebe in diversen
Trägermaterialien noch zu unzureichenden Ergebnissen führt“, erklärt Prof.
Dr. Gundula Schulze-Tanzil von der Paracelsus Medizinischen
Privatuniversität im Klinikum Nürnberg.
Deshalb hat das Projektteam ein neuartiges Trägermaterial aus Glas für das
„Tissue Engineering“ entwickelt. Bei der Entwicklung mussten sie einige
Herausforderungen überwinden. Prof. Dr. Armin Lenhart von der TH Nürnberg:
„Mit dem Stand der Herstellungstechnik von Trägermaterialien und den
typischerweise verwendeten Gläsern konnten bislang keine günstigen und
ausreichend stabilen Trägergeometrien realisiert werden. Eine Ansiedlung
der Knorpelzellen auf dem Trägermaterial war nur im geringen Maße möglich
und ihre Lebensdauer begrenzt. Außerdem haben sich die Gläser zu langsam
aufgelöst und wären für die Anwendung als Implantat nicht geeignet.“ Durch
eine veränderte Glaszusammensetzung konnten die Forschungsteams die
Auflösungszeiten verringern. Zudem haben sie die Verfahrenstechnik der
Trägerherstellung optimiert und dabei die glasspezifischen Eigenschaften,
insbesondere die Behandlungstemperaturen und Sinterzeiten, berücksichtigt.
Durch ein spezielles chemisches Behandlungsverfahren der Glasoberfläche
konnte das Forschungsteam die Ansiedlung der Knorpelzellen und die
anschließende Vermehrung verbessern.
„Laboruntersuchungen haben uns auch schon erste Hinweise dafür gegeben,
dass unser Glas nicht nur zur Knorpelherstellung geeignet ist, sondern
auch zur Züchtung von Haut- und Bänderzellen“, erläutert Prof. Dr. Sven
Wiltzsch von der TH Nürnberg. Durch ihre kooperative Forschungsarbeit
konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TH Nürnberg und
der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität im Klinikum Nürnberg einen
neuen Typ von Biomaterial aus Glas und ein zugehöriges
Bioaktivierungsverfahren entwickeln, die in Kombination das Potenzial
haben, sich zum Implantat weiterzuentwickeln. Damit würde das
Forschungsteam langfristig eine neue Möglichkeit zur Behandlung von
Knorpelverletzungen realisieren und kann somit die Entstehung von Arthrose
abwenden.
Die STAEDTLER Stiftung fördert das Projekt mit 40.000 Euro.