Nanofasern für das Rückenmark

Forscher haben ein Material geschaffen, das sich in geschädigtes Rückenmark injizieren lässt, um problematische Vernarbungen zu vermeiden und zerstörte Nervenfasern zum neuerlichen Wachstum anzuregen. Die Flüssigkeit wurde von Samuel Stupp, Professor für Materialwissenschaften an der Northwestern University, entwickelt und enthält Moleküle, die sich zu Nanofasern zusammenbauen, die als Gerüst dienen, auf dem Nervenfasern gedeihen.

Stupp und seine Kollegen haben die Technologie bereits im Tierversuch getestet und konnten zeigen, wie sie die Funktion der Hinterbeine gelähmter Mäuse zum Teil wieder herstellen konnte. Ähnlich erfolgreiche Experimente hatte es zwar schon früher gegeben, doch dabei mussten stets verschiedene Materialien chirurgisch implantiert werden. Die neue Substanz kann den Versuchstieren hingegen einfach eingespritzt werden. Die Nanofasern bauten sich anschließend innerhalb von drei bis acht Wochen zu Nährstoffen ab, erläutert Stupp.

Momentan gibt es noch kein Heilmittel für die Tausenden von Patienten allein in den USA, die Verletzungen ihres Rückenmarks erleiden mussten – jener langen Nervenfasern, die das Gehirn mit den Gliedmaßen und den Organen des Körpers verbindet. Wird das Rückenmark beschädigt, bilden Nervenstammzellen Vernarbungen im Bereich der Verletzung, was Nervenfasern blockiert und verhindert, dass sie wieder wachsen können, sagt John Kessler, Professor für Stammzellbiologie an der Feinberg School of Medicine an der Northwestern University, der mit Stupp zusammenarbeitet. Nerven können dann keine Signale mehr vom und zum Hirn übertragen – die Patienten verlieren das Gefühl in ihren Gliedmaßen, haben Probleme mit der Verdauung und ihrem Bewegungsapparat. "Es ist so, wie wenn man ein Telefonkabel durchschneidet", sagt Kessler. "Wir wollen deshalb nun die Nervenfasern erneut wachsen lassen und den Körper damit sozusagen neu verdrahten."

Wissenschaftler versuchen schon seit längerem mit unterschiedlichen Methoden, Nervenfasern zur Regeneration zu bewegen. Sie nutzen natürliche Materialien wie Kollagen oder synthetische biologisch abbaubare Polymere, um ein Gerüst zu schaffen, das Nerven unterstützt und ihnen beim Wachstum hilft. Zur Implantierung wird dabei aber stets eine Operation benötigt.

Das neue Northwestern-Material ist anders, weil es als Flüssigkeit direkt in das Rückenmark spritzbar ist. Negativ geladene Moleküle in der Flüssigkeit bilden dabei Klumpen, wenn sie mit positiv geladenen Partikeln wie Kalzium- oder Natriumionen in Kontakt kommen, die sich im Körper befinden. Die Moleküle bauen sich dann zu hohlen, zylindrischen Nanofasern zusammen, die ein Gerüst bilden, das Zellen regelrecht einfängt. An der Oberfläche dieser Nanofasern sind biologische Moleküle enthalten, die Vernarbungen verhindern und Nervenfasern das Wachstum weiter erleichtern. "Die Idee, sich selbst zusammenbauende Nanofasern zu nutzen, die sich direkt in das Rückenmark injizieren lassen, ist reizvoll", meint Harvard Medical School-Professor Yang Teng, der Nervenstammzellforschung betreibt und sich mit derartigen Verletzungen beschäftigt.

Stupp und seine Kollegen haben in der Vergangenheit auch noch andere medizinische Anwendungsgebiete für die sich selbst zusammenbauenden Moleküle gefunden. Sie entwickelten Materialien mit einer leicht abgeänderten Chemie, die das Wachstum von Blutgefäßen befördern und sich so anordnen, dass sie Knochenstrukturen nachahmen. 2004 konnten die Forscher im Reagenzglas mit einer Hirnzellkultur zeigen, wie das Material das Wachstum von Nervenfasern anregte, die in das Rückenmark hineinwachsen. Außerdem zeigten sie, dass auch hier Vernarbungen verhindert werden konnten.

Die neue Studie ist der erste Test des Materials im Zusammenhang mit Rückenmarksverletzungen bei Tieren. Kessler sagt, dass die Technik besser funktionierte, als ursprünglich erwartet. Dazu wurde eine Rückenmarksverletzung bei Mäusen stimuliert und das Material 24 Stunden später injiziert. Die Größe der Narben reduzierte sich so deutlich und das Wachstum der Nervenfasern durch die Narben wurde angeregt. Beide Arten von Nervengewebe, die im Rückenmark stecken, wurden adressiert: Fasern, die die Signale vom Gehirn zu den Gliedmaßen leiten und jene Fasern, die Sinneseindrücke an das Gehirn leiten. Außerdem wurden die Nervenstammzellen dazu angeregt, sich in Zellen umzubilden, die Myelin erzeugen – eine Schutzschicht um Nervenfasern, die hilft, Signale besser zu übertragen.

Neun Wochen nach der Injizierung zeigten die behandelten Tiere sichtbare Verbesserungen im Vergleich zu Kontrollgruppe. Die Nager konnten ihr Gewicht wieder auf den Hinterbeinen tragen und ihren unteren Körper anheben. "Tiere, die ihre Hinterbeine gar nicht verwenden konnten, erhielten nun die Fähigkeit dazu zurück", sagt Kessler. Eine Heilung sei das zwar noch nicht, doch eine deutliche Verbesserung der Funktionsfähigkeit. "Sie können nun durch ihren Käfig steuern."

Stupp hat inzwischen eine Firma namens Nanotope gegründet, die an einer Therapieform arbeitet, die die Nanofasern-Technik auf den Menschen überträgt. Der erste Schritt ist nun die Schaffung eines Materials, das den Standards der US-Gesundheitsaufsicht FDA entspricht; dann folgen klinische Untersuchungen. Erste Tests an menschlichen Zellkulturen hätten bislang noch keine toxischen Effekte gezeigt, sagt Kessler. (bsc)