Knorpel aus dem Drucker

Mit zunehmendem Alter, durch Sport oder genetische Veranlagung, kann sich die Knorpelschicht in Gelenken abnutzen. Betroffene leiden dann an verschiedenen Arten der Arthrose, die sich nur schwer behandeln lässt und die im Alltag sehr schmerzhaft sein kann.

Geht es nach Wissenschaftlern an der Pennsylvania State University (Penn State) im amerikanischen Bundesstaat Pennsylvania, wird man in einigen Jahren menschlichen Knorpel im Labor über einen 3D-Drucker herstellen können, um Knochen wieder geschmeidiger zu machen.

Zwar kann man bereits Knorpel in einer Petrischale züchten, indem Zellen in ein Gerüst aus Polymerketten eingebracht werden. Doch das erlaubt kein normales Wachstum, das Endergebnis ist mechanisch nicht ausreichend belastbar, um sich als Therapieform zu eignen. Das Hydrogel erlaube es Zellen nicht, sich adäquat zu entwickeln, so die Wissenschaftler. Die Zellen seien eingesperrt und könnten untereinander nicht so kommunizieren, wie dies in natürlichem Gewebe der Fall sei.

Die Penn-State-Forscher wollen den Prozess verbessern und setzen auf den 3D-Druck. Mit Knorpel der Kuh funktioniert es bereits, wie Ibrahim T. Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, mit seinem Team gezeigt hat.

Dazu wurden zunächst Knorpelzellen in winzigen Röhrchen herangezogen. Diese Zellen dienen dann als Tinte. Eine Spezialdüse erlaubt es, Reihen von Knorpelsträngen hintereinander anzuordnen. Anschließend landet das Gewebe in einer Nährlösung, um auszuhärten.

"Unser Ziel ist es, Gewebe zu schaffen, dass sich dann dazu verwenden lässt, große Mengen beschädigten Knorpels zu ersetzen", so Ozbolat. "Diejenigen, die an Arthrose in ihren Gelenken erkrankt sind, leiden sehr. Wir brauchen dafür eine alternative Behandlungsform."

Die Länge der frisch gewonnenen Knorpelstränge kann beliebig ausfallen. Durch das nicht mehr notwendige Gerüst sei der Druckprozess skalierbar. "Die Knorpelpatches können größer sein." Aus dem Drucker kommt dann Material, das vertikal wie horizontal angeordnet sein kann und die natürliche Architektur im Körper nachahmt.

Der künstliche Kuhknorpel ist allerdings noch nicht perfekt. Er sei zwar dem Vorbild "sehr ähnlich", so Ozbolat und sein Team. Doch die mechanischen Eigenschaften könnten besser sein. Die Qualität früherer Züchtungen wurde aber längst überholt. Hinzu kommt, dass natürlicher Knorpel sich unter Druck in den Gelenken herausbildet. Entsprechend könnte der künstliche Knorpel unter Druck möglicherweise bessere mechanische Eigenschaften zeitigen.

Beim Menschen stellt sich noch die Frage, welches Ausgangsmaterial zur Bildung des künstlichen Knorpels verwendet wird. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. So könnten Knorpelproben entnommen werden, um den Zucht- und Druckvorgang einzuleiten. Alternative könnte man auch Stammzellen verwenden, die sich in Knorpelzellen ausdifferenzieren.

Wann die Technik tatsächlich bereit für klinische Studien am Menschen ist, lässt sich noch nicht sagen. Zunächst wollen Ozbolat weiter mit dem Kuhknorpel experimentieren. (bsc)