Nano-Knorpel für kaputte Knie

Unsere Gelenke gehören zu jenen Teilen des Körpers, die den Alterungsprozess besonders stark zu spüren bekommen: Knorpel kann durch Überanstrengung beim Sport genauso zerstört werden wie durch die langjährige Beanspruchung der eigenen Knochen.

US-Forscher experimentieren nun mit einer Kombinationstherapie aus Stammzellen und einem neuartigen Nanofaser-Gerüst, das echtes Gewebe nachbilden kann. Das Ziel: Schmerzen durch Knorpelabbau sollen gelindert und Arthrosen möglichst verhindert werden. In Tiermodellen funktioniert die Technik teilweise schon: Sie scheint in transplantierter Form eine gute körpernahe Knorpelregeneration anzuregen.

Gelenkverschleiß ergibt sich sowohl durch Traumata als auch durch die ganz normale Abnutzung des Knorpels. Folgen sind Arthrosen, die in den USA die Hälfte der Bevölkerung in der Altersgruppe ab 65 Jahren betreffen.

Die wichtigste Behandlungsform bei kleinen Knorpeldefekten setzt auf eine künstliche Verletzung des betroffenen Gelenks, um zellreiches Blut und Knochenmark anzuregen, im betroffenen Bereich neuen Knorpel zu bilden. Möglich ist außerdem die Transplantation von Knorpelzellen aus einem gesunden Gelenk – zuvor werden sie in Laborkulturen herangezüchtet und dann an der betroffenen Stelle injiziert.

Beide Prozeduren regen das Wachstum neuen Gewebes an. Dabei handelt es sich allerdings um eine narbenartige Variante des Knorpels, der faseriger ist und eine geringere Robust- und Haltbarkeit aufweist.

"Das ist ein bisschen so, als wenn man ein Schlagloch auffüllt", sagt Rocky Tuan, Leiter der Abteilung für Knorpelbiologie und Orthopädie am US-Nationalinstitut für Arthrose, Skelettmuskel- und Hautkrankheiten in Baltimore und Erfinder der neuen Technik. "Die Straße wird dabei nicht neu asphaltiert. Stattdessen hält sie eben für ein paar zusätzliche Winter."

Um das Knorpelgewebe vollständig zu regenerieren, anstatt es nur aufzufüllen, arbeiten Tuan und seine Kollegen nun an besagter Nanofaser-Gerüststruktur, die ähnlich wie die extrazelluläre Matrix aufgebaut ist, die im menschlichen Körper das Verbindungsgewebe unterstützt. Das Gerüst wird mit Hilfe des so genannten Elektrospinnens generiert, einem Prozess, der aus der Textilindustrie adaptiert wurde. Dabei wird an ein flüssiges Polymer ein starkes elektrisches Feld angelegt, das als Antwort auf die Ladung lange, dünne Fasern bildet. Das Ergebnis sind kleine Faserbälle, die an Zuckerwatte erinnern.

Die Nanostruktur des Materials ist dabei ausschlaggebend: Experimente haben gezeigt, dass Zellen auf solchen Fasern besser wachsen als auf Strukturen im Millimeterbereich aus dem gleichen Material. "Dieses Gerüst bewegt sich eher in dem Bereich, das Zellen kennen", sagt Farshid Guilak vom Labor für orthopädisches Bioingenieurwesen an der Duke University, der die Studie kennt.

Das Gerüst ist mit adulten Stammzellen besetzt, die aus Knochenmark, Fettgewebe und anderen Quellen bezogen werden und sich in Muskeln, Knochen, Fett und Knorpel ausdifferenzieren können. "Der Vorteil ist, dass man nicht anderes Gewebe beschädigen muss, um an diese Zellen zu gelangen", sagt Tuan.

Bei einem Pilotexperiment an Schweinen vernähten die Forscher das Nanofaser-Gerüst mit beschädigtem Knorpelgewebe in den Knien der Tiere. Sechs Monate später hatte sich neues Gewebe gebildet, das eine weiche Oberfläche aufwies – und mechanische Eigenschaften, die denen echten Knorpels ähnelten. Auch die molekularen Marker stimmten überein. "Letztlich ist es wichtig, dass das neue Gewebe die extrazelluläre Matrix normalen Knorpels hat, damit die Eigenschaften des neuen Gewebes echten Knorpel emulieren", meint Alan Grodzinsky, Direktor des Center for Biomedical Engineering am MIT.

Das Gerüst mit Stammzellen reparierte den Schaden besser als ein Gerüst ohne Stammzellen oder ein Gerüst mit gewöhnlichen Knorpelzellen. Warum genau das so ist, wissen die Forscher noch nicht. Eine Möglichkeit wäre, dass sich die Stammzellen besser vermehren – oder weil sie den molekularen Signalen des verwundeten Gewebes besser gehorchen.

Das Projekt von Tuan und seinem Team ist nicht das einzige Vorhaben im Bereich des so genannten Tissue Engineering gegen den Knorpelabbau. So wird mit Zelltransplantaten, anderen Gerüstmaterialien oder einer Kombination aus beidem gearbeitet, einige dieser Studien befinden sich in klinischen Untersuchungen. (Die am weitesten fortgeschrittenen nutzen entweder das eine oder das andere Verfahren, weil so eine leichtere Zulassung der US-Gesundheitsaufsicht zu erhalten ist.)

Tuan meint, dass er Untersuchungen am Menschen in den nächsten zwei Jahren absehen kann. Nun sollen erst einmal mehr Versuche an großen Tieren durchgeführt werden, darunter Ziegen oder Schafe – und zwar über einen längeren Zeitraum, um Effizienz und Sicherheit der Methode nachzuweisen. Das Polymer, das die Gruppe nutzt, ist bereits für medizinische Anwendungen zugelassen und die Zellen stammen von den Patienten selbst, so dass es nicht zu Immunreaktionen kommt.

Tuan arbeitet außerdem daran, das Gerüst bioaktiv zu machen – spezielle Moleküle sollen dafür sorgen, dass die richtigen Zellen wachsen. Am liebsten wäre dem Forscher ein System, bei dem die Stammzellen beim Patienten eingesammelt und dann direkt ohne Zellkulturen in das Gerüst eingebaut werden können. (bsc)