Prof. Dr. Michael Nerlich: Zukunft Biomedizin ­– Biomaterialien für die Regenerative Medizin

Die moderne Alterungsgesellschaft stellt die Medizin vor neue Herausforderungen. So steigt unter anderem für ein gesundes Leben im Alter der Bedarf an medizinischen Methoden zur Regenerierung von verschlissenem Gewebe. Die Biomedizin in Bayern ist in diesem Forschungsfeld ganz vorn mit dabei.

 

Die Regenerative Medizin ist ein inno­­va­­tives, aber auch kom­­­­­­pliziertes bio­­me­­di­­zinisches Fachgebiet, auf dem große Hoff­­­­nungen liegen. Stamm­­zell­for­schung, Gentherapie und Tissue Engineering, also das Züchten von Gewebe- und Zell­­ver­­bänden, versprechen gute Heilungs­chancen im Kampf gegen schwere und unheilbare Krankheiten, wie Herz-, Auto­­­­­immun- und Nervenerkrankungen, Quer­­schnitts­lähmung­ und Parkinson, chronisch entzündliche Erkrankungen, Dia­­betes, solide Tumoren, Leukämie, Kno­chen- und Knorpel­­erkrankungen oder -schäden so­­wie bei Haut­transplan­tationen. Ange­­wandt wird die Regenerative Medizin be­­reits ­erfolgreich bei Leukämie und Gelenkknorpelschäden.­

Im Jahr 2012 war auf dem Kongress „MedTech Pharma 2012­ – Medizin Inno­­vativ“ des Forum MedTech Pharma e.V. den Bio­materialien eine eigene Themen­­­­reihe mit namhaften Re­­fe­­renten gewidmet. So wur­den zahlreiche Experten dieses Fach­gebiets im Freistaat Bayern zu­­sam­mengeführt.

Die Forschung in der Regenerativen Me­­dizin läuft auf Hochtouren. Die Men­­schen erreichen ein immer höheres Lebensalter, gleichzeitig treiben immer mehr Menschen Sport. Daraus er­­wächst ein stark steigender Bedarf an Me­­tho­­den, die verschlissenes Gewebe regenerieren können. Tissue Engi­­neering ist eine zentrale Techno­­lo­­gie der Rege­ne­ra­tiven Medizin und Bio­­­ma­terialien sind die stoff­­liche Basis. Die Zellen zum Auf­­bau neuer Gewe­be­struk­­­­turen benötigen ein geeignetes Ge­­­­­rüst, um erfolgreich wach­­sen zu können, die Scaffolds. Viel­­ver­­sprechend sind bio­­­­aktive Glas-Scaf­­folds, wie sie der Bio­ma­­terial­forscher Prof. Dr. Aldo Boccaccini von der Uni­­ver­­sität Er­­langen entwickelt. Bio­polymere mit nicht-organischen Na­­no­­­fiber­­­par­ti­keln über- und durchziehen diese Scaffolds und ma­­chen sie bruch­­sicherer. Lösungs­­produkte aus dem Glas beeinflussen die Osteogenese und die Angio­genese, also die Bildung von Knochen und Gefäßen. Nano­­strukturen ver­­bessern Zell­anhaf­­tung und -wachstum.

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Ein Beispiel dafür, wie sich mit Hilfe des Tissue Enginee­­ring wichtige Organ­­­­funktio­nen wiederherstellen lassen, ist das Ent­nehmen, Züchten und wieder Ein­­setzen von kon­­trak­­tilem Herzmus­kel­­­gewebe. Dr. Andres Hilfiker von der Me­­di­­zinischen Hochschule Hannover MHH will mit dieser Methode irreparable Schäden dieses Gewebes durch den Aus­­fall der Ver­sor­gung mit Sauer­stoff und Nähr­­stoffen im Herzgewebe verhindern. Denn das Rege­ne­ra­tions­­­po­­ten­­zial der Herzmuskelzellen ist so gering, dass die verlorene Funktionalität sich nicht wieder aus eigener Kraft einstellt. Diese Vorgehensweise funktioniert bei der autologenen Knorpelzelltransplan­ta­­­tion zur Rekonstruktion von Gelenk­knorpel bereits seit Jahren recht gut, wie Prof. Dr. Jürgen Mollenhauer dem Auditorium darlegte. Dem Pati­enten wer­­den Knor­pel­zellen entnommen, in Zell­kultur ver­­mehrt und an die geschädigte Stelle implan­­tiert, wo sie wie­­der Knorpelgewebe aufbauen können. Pro­­­bleme macht neuerdings aber die regu­­la­­torische Seite, da das bewährte Heil­­ver­­fahren nun als reguliertes Arznei­­­­mit­­tel eingestuft wird, mit allen höchst zeit- und kostenaufwendigen Kon­sequenzen.

Zur Therapie von Knorpeldefekten hat die Bio Tissue Tech­no­­­­logies GmbH zwei Lösun­gen entwickelt: zum einen ein zell­­basiertes Produkt aus patienten­­ei­­ge­­nen Zellen und einer polymerbasierten re­­sor­­bierbaren Trägermatrix und zum ande­ren ein Implantat aus einem zellfreien, stabilen 3D-Trägermaterial. Der Knochen­mark stimulierende Pro­zess wird verstärkt, indem das körpereigene Regene­rationspotential durch Anlocken von Stammzellen in den Knorpeldefekt unterstützt wird.

Zahlreiche neue Therapiemöglichkeiten, vor allem für kardio­­vaskuläre Erkran­­kun­­gen, eröffnen neuartige Seiden­­­­fa­­sern, die hervorragend biokompatibel sind. Ein speziel­­les, der Spinne nach­­empfun­­denes Herstellungs­ver­fahren von Seide ermöglicht die textile Verarbei­tung dieses Bio­materials, zum Beispiel für kleinelumige Gefäß­pro­thes­en. Robin Roß von der RWTH Aachen entwickelt mit seinen Kollegen die optimale Struk­­tur und Beschich­tung, damit die künstlichen Blutgefäße flexibel und blutdicht werden.

Basis für die Regenerative Medizin sind vor allem adulte Stammzellen und Vor­läuferzellen aus Knochenmark und peri­­pherem Blut. Die Zellen mit erwünschten Eigenschaften müssen aber von denen mit unerwünschten Effekten ge­­­­trennt werden. Die Zellseparations­me­­thode der Miltenyi Biotec GmbH basiert auf der Bindung von Magnet­par­tikeln an Anti­körper. Anschließend werden die Zellen mit speziellen Reagenzien analysiert, wie Volker Huppert erklärte.

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Mit viel Geduld und Erfindergeist ist Erstaunliches erreichbar. Mensch­­liches Gewebe erfolgreich mit zellbasierten Tech­niken in 3D herstellen und damit Struk­turen ge­­­­­­­­schädigter Organe und Kör­­perteile rekonstruieren: Bis zu diesem Ziel war es ein weiter Weg, der etwa zwei Jahr­zehnte dauerte. So genial die Idee war und ist, zentrale Fak­­toren und Herausforderungen dabei sind das Ein­wach­­sen von Blutgefäßen und die Träger­materialien, die Scaffolds.

Verschiedene Materialien werden mit menschlichen Zellen besiedelt, um aus körpereigenen Zellen hergestellten Ge­­we­­­­­­­be­ersatz wachsen zu lassen, wie zum Beispiel Herz­klap­pen. Je nach Zweck wer­­­den Polymere, Calcium­phosphat, Ke­­rami­­ken, Gele oder in einem speziellen Fall auch ein Darmexplantat verwendet. Zu den führenden Forschern ­auf dem Gebiet der Regenerativen Medizin und der Bioma­terialien gehören Professor Dr. Heike Walles, die Inha­berin des neuen Lehrstuhls für Tissue Engineering und Re­­ge­­nerative Medizin der Univer­­sität Würzburg und Pro­fessor Dr. Aldo Bocca­ccini, Lehrstuhlinhaber und Leiter des Instituts für Biomaterialien der Uni­­versität Er­­lan­gen-Nürnberg. Heike Walles verwendet ein ganz spezielles Medium für ein Scaffold als Basis für Trans­plan­­tate zur Rekonstruktion einer Luftröhre. Für den klinischen Einsatz entwickelte sie mit ihrer Arbeitsgruppe und der Klinik Schillerhöhe ein Transplantat mit einem eigenen Gefäß­system. So konnte beispielsweise ein schwerverletzter Pa­­tient mit einer verätzten Speiseröhre geheilt werden.

Als Biomaterial für den Wiederaufbau von Körpergewebe vielfältig einsetzbar sind Calciumphosphat-Keramiken. Sie eignen sich sowohl als Knochen­er­satz­­material als auch für das Tissue Engi­­neering. Da sie als Scaffold-Material der chemischen Zusammensetzung natürlicher Knochen sehr ähnlich sind, haben sie sich als höchst bio­­kompatibel er­­­­wie­­sen. Diese Scaffolds werden mit ver­­­­­­schie­­­­­denen Rapid-Prototyping-Verfahren her­­gestellt, die die Arbeitsgruppe von Ulrike Deisinger am Friedrich-Baur-For­­schungsinstitut für Biomaterialien der Uni­ver­sität­­ Bayreuth optimiert hat.

Ulrich Nöth, Arzt und Wissenschaftler am Ortho­pä­dischen Zentrum für Mus­­ku­­­loskelettale Forschung der Universität Würzburg (OZMF) forscht mit seiner Arbeitsgruppe Tissue Engineering zur Geweberegeneration von Knorpeln und Knochen. Als Trägermaterial für Knor­­pel bevorzugt Nöth Gele auf Kollagen-Basis. Bei größeren Knochendefekten hängt vieles davon ab, wie stabil und wie stark resorbierbar die Träger­­ma­te­­r­­ialien sind. An verschiedenen Kliniken wird auch an regerativen Behand­­lungs­­möglichkeiten bei Diabetes mellitus Typ 1 geforscht, zum Beispiel an der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin in München. Hier gibt es erfolgver­­sprechende An­­sätze, aber noch keine ausge­­reifte Therapie.

Die Methoden der Regenerativen Me­­di­­zin bergen ein großes Potential, das auch immer mehr Investoren erkennen. Um diese modernen Therapien möglichst vielen Pati­enten zugutekommen zu las­sen, sind weitere Mittel notwendig, zumal die Zulassungskosten hoch und für viele kleinere Unternehmen kaum finanzierbar sind.

 

Nerlich_Michael_originalDer Autor wurde 1953 in Landshut geboren und hat an der LMU in München Humanmedizin studiert. Nach Stationen an der MHH Hannover, in den USA und in der Schweiz leitet Prof. Dr. Nerlich seit 1992 für Unfallchirurgie am Klinikum der Universität Regensburg. Er ist Prä­si­dent der International Society for Tele­medicine und Vorstands­vorsitzender des Forum Medtech-Pharma e.V.