Auf dem Weg zum künstlichen Ersatzgewebe
Spezielle Spinnenseidenproteine verbessern die Funktion von Biomaterialien
Ersatzgewebe spielen in Zukunft eine immer wichtigere Rolle zur
Rekonstruktion und Schließung von Gewebedefekten, zum Beispiel bei
großflächigen Verbrennungen der Haut. Denn die Verpflanzung von
Eigengewebe ist nicht immer möglich, etwa weil die Wunden zu groß sind.
Ein Problem bei der Züchtung von Ersatzgewebe, dem sogenannten Tissue
Engineering, besteht jedoch regelmäßig darin, die Durchblutung des
gezüchteten Gewebes zu sichern. Eine aktuelle Arbeit von Forschungsgruppen
der Friedrich-Alexander-Universitä
Universität Bayreuth zeigt, dass die Durchblutung von Gewebsgerüsten aus
Spinnenseidenproteinen, die als Träger für Gewebszellen dienen, durch
Biofunktionalisierung verbessert werden kann. Die Forschenden fügten den
Spinnenseidenproteinen einen Stoff hinzu, der das Wachstum von Blutgefäßen
fördert. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in der führenden
Fachzeitschrift „Biofabrication“ veröffentlicht.*
Züchtung künstlicher Ersatzgewebe – Tissue Engineering
Großflächige Gewebedefekte, zum Beispiel nach Tumoroperationen oder
Unfällen, können durch die Verpflanzung von Eigengewebe, dem autologen
Gewebeersatz, rekonstruiert werden. Individuelle Faktoren der einzelnen
Betroffenen, etwa Nebenerkrankungen oder Voroperationen aber auch die
Defektgröße, können den autologen Gewebeersatz einschränken und in manchen
Fällen sogar gänzlich unmöglich machen.
„Eine innovative und besonders schonende Technik, um großvolumige
Gewebedefekte wiederherzustellen, ist die Züchtung von künstlichen
Ersatzgeweben“, erklärt Prof. Dr. Raymund E. Horch, Direktor der
Plastisch- und Handchirurgischen Klinik am Universitätsklinikum Erlangen
der FAU. Bei diesem Tissue Engineering werden die Gewebszellen, die das zu
ersetzende Gewebe bilden sollen, in ein spezielles Gerüst, die
Trägermatrix, eingebracht. Diese wird später in den Defekt implantiert.
„Die Vaskularisierung, also die Durchblutung der zellularisierten
Trägermatrix, ist beim Tissue Engineering die kritische Stellgröße für den
erfolgreichen klinischen Einsatz“, führt Prof. Dr. Horch aus.
In zahlreichen Vorarbeiten konnten die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler der FAU nachweisen, dass durch die Schaffung einer
arteriovenösen Kurzschlussverbindung, dem sogenannten AV-Loop, eine
Verbesserung der Durchblutung und Gewebeneubildung erreicht werden kann.
AV-Loops sind dreidimensionale Gefäßschleifen, die je über eine Arterie
und eine Vene an den Blutkreislauf angeschlossen sind. Rund um die
Gefäßschleife sollen sich dann Blutgefäße ausbilden, damit neu
verpflanztes Gewebe durchblutet und mit Sauerstoff versorgt werden kann.
Biofunktionalisierung von Spinnenseidenproteinen
„Wir arbeiten seit Längerem mit Prof. Dr. Thomas Scheibel von der
Universität Bayreuth zusammen. In einer früheren Studie konnten wir
nachweisen, dass die Verwendung von besonders dünnen Fasern aus dem
Spinnenseidenprotein eADF4(C16) die Vaskularisierung, die vom AV-Loop
ausgeht, deutlich verbessert“, führt PD Dr. Dominik Steiner aus. In der
aktuellen Studie wurde eine Matrix aus dieser bewährten Spinnenseide mit
einem zusätzlichen RGD-Peptid eingesetzt. Peptide sind Moleküle aus
Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen. Das RGD-Peptid fördert unter
anderem die Blutgefäßneubildung. Und Spinnenseide übertrifft in ihrer
Stabilität und Dehnbarkeit sogar Hightech-Fasern. Sie kann zum Beispiel
dreimal mehr Energie aufnehmen als Kevlar, bevor sie reißt.
Über vier Wochen wurden Matrizes aus der eADF4(C16)-RGD-Spinnenseide
mittels AV-Loop vaskularisiert und mit der Kontrollgruppe ohne RGD-Peptid
verglichen. „Dabei konnten wir eine deutliche Steigerung der Durchblutung
in der RGD-Gruppe beobachten“, berichtet PD Dr. Steiner. „Neben einer
guten Biokompatibilität konnten wir einen langsameren Abbau der eADF4(C16
)-RGD-Spinnenseidenmatrix gegenüber anderen Biomaterialien beobachten“,
ergänzt Prof. Dr. Horch.
„Die gewonnenen Erkenntnisse stellen einen wichtigen Meilenstein zur
Gewinnung künstlicher Ersatzgewebe dar. Es sind weitere Studien
vorgesehen, in denen zellularisierte Matrizes aus eADF4(C16)-RGD-
Spinnenseide verwendet werden sollen“, fasst PD Dr. Steiner zusammen.
Die Studie erfolgte im Rahmen des DFG-geförderten Sonderforschungsbereichs
SFB TRR225 „Von den Grundlagen der Biofabrikation zu funktionalen
Gewebemodellen“.
* https://doi.org/10.1088/1758-5
