Künstliches Gewebe bringt Wirkstoffe in den Körper

Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine neue Klasse "smarter" Materialien entwickelt, die in der modernen Medizintechnik zum Einsatz kommen könnte. Aufgebaut aus einzelnen Molekularschichten, kann der Überzugsstoff Medikamente und andere Stoffe in einer vorher festgelegten Reihenfolge und mit genau bestimmter Menge an den Körper abgeben. Denkbar sind damit für den Menschen gesündere Implantate, die weniger häufig abgestoßen werden; gleichzeitig könnte das MIT-Material später gar zum Aufbau von künstlichen Knochen, Blutzellen, Muskeln und sogar Lebern verwendet werden.

Ein erstes Anwendungsgebiet sind allerdings Austauschimplantate wie ein künstliches Hüftgelenk. Überzogen mit dem neuen Material, könnte die Gefahr von Infektionen gesenkt und die Heilung beschleunigt werden. Erste Tests im Tierversuch sollen dazu bereits im nächsten Jahr starten.

"Die Möglichkeiten der Technologie sind dabei wesentlich größer als unsere ersten Projekte", erklärt Paula Hammond, Professorin für Chemieingenieurwesen am MIT, die die Studie leitet. Man wolle letztlich medizinische Wirkstoffe und Gene in einer kontrollierten Sequenz abgeben. "Das ließe sich dann etwa bei der Krebsbekämpfung einsetzen. Wir denken aber auch schon an künstliches Gewebe."

Der Überzugsstoff wird in einem bereits weithin bekannten Produktionsprozess hergestellt: dem schichtweisen elektrostatischen Zusammenbau. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die einzelnen Bestandteile des Überzugs bis auf Molekularebene zu kontrollieren. Dabei werden jeweils positiv und negativ geladene Partikel und Polymere verwendet. Gelangt das Material in den Körper, wird es aufgebrochen und gibt die enthaltenen Stoffe nacheinander ab.

Die MIT-Forscher hoffen, dass es künftig möglich sein wird, je nach Schicht verschiedene Wirkstoffe zu platzieren: "Unser Ziel ist ein Material mit mehreren Komponenten", meint Kris Wood, der als Graduate-Student an dem Projekt mitarbeitet. Das Vorhaben ist aber deutlich komplexer als anfangs angenommen. Bei den ersten Versuchen vermischten sich die verschiedenen Komponenten einzelner Schichten miteinander, so dass sie nicht hintereinander, sondern gleichzeitig abgegeben wurden. Erst als die Forscher eine Schicht zwischen zwei verschiedenen Komponenten erhitzten, verbanden sich die Polymere kovalent - es ergab sich eine Art Netz- oder Maschengewebe, das die Komponenten davon abhielt, sich miteinander zu vermischen.

Diese Methode kann auch verwendet werden, um Komponenten mit verschiedenen elektrischen Ladungszuständen zu kombinieren - dann wird der Überzug elektrostatisch zusammengehalten. Auch hier lassen sich verschiedene Polymere und Wirkstoffe nutzen, aber auch Nanoaufbauten und chemische Verbindungen in stark verästelter Baumstruktur, die bei der Wirkstoffapplizierung helfen können. Möglich sind außerdem Metallpartikel wie Silber, die gegen Mikroben vorgehen.

Das MIT-Material benötigt weder harte Chemikalien noch eine starke Erhitzung, so dass sich auch Proteine und Nukleinsäuren einbringen ließen. Beide Materialien sind bislang eher schwer in den Körper zu schaffen. Mit der neuen Technik seien auch sie endlich zur gewünschten Stelle zu befördern, meint Hammond, was Kosten senken könnte.

Im Bereich orthopädischer Implantate würde eine Schicht des Überzugsstoffes Antibiotika enthalten, kombiniert mit Entzündungshemmern. Ist eine mögliche Infektion dann an Ort und Stelle bekämpft, würde ein Protein-artiger Wachstumshelfer in der nächsten Schicht freigegeben, der die Knochen zum Wachsen anregen könnte, um das Implantat in Position zu halten. In der Endausbaustufe sollen zahlreiche solcher Schichten mit einer großen Vielfalt an Molekülen im neuen MIT-Material stecken. Selbst ein transparenter Stoff als Ersatzlinse bei grauem Star ist potenziell möglich.

Im Bereich der Entwicklung künstlichen Gewebes hat Hammond weitere große Pläne. Das MIT-Material könnte hier als Gerüst dienen, auf dem Zellen wachsen, denen man dann verschiedene Wachstumsfaktoren und passende Gene beimischen könnte. "Dieser Prozess läuft dann eine gewisse Zeit lang ab, bis wir das bekommen, was wir haben wollen."

Hammond hat bereits mit Orthopädie-Forschern und Chirurgen Kontakt aufgenommen, die die Überzugsstoff-Idee für durchaus sinnvoll halten. Myron Spector, Direktor im Bereich wissenschaftliche Orthopädie am Brigham and Women's Hospital, hält den Infektionsschutz bei Hüft- und Knieimplantaten für sehr wichtig. "Infektionen treten zwar nicht bei einem Großteil der Patienten auf, doch wenn es passiert, ist es traumatisch und potenziell lebensgefährlich"."

Mitchel Harris, am selben Krankenhaus wie Spector als orthopädischer Chirurg tätig, hält die Technologie ebenfalls für interessant. Problematisch sei allerdings, dass die Versicherungen für Implantate immer weniger zahlten. "Wenn der Überzugsstoff nicht billig genug ist, gibt das sicher Probleme."

Hammond hofft nun auf einen erfolgreichen Beginn der Tierversuche mit dem neuen Material. Laufen diese gut, könnte die MIT-Technik in den nächsten drei Jahren am Menschen getestet werden. Bis dahin könnten sich noch ganz andere Anwendungsgebiete ergeben.

Übersetzung: Ben Schwan.


Kris C. Wood et al., "Controlling interlayer diffusion to achieve sustained, multiagent delivery from layer-by-layer thin films", Proceedings of the National Academies of Science, Vol. 103, No. 27, 5. Juli 2006 (Abstract, Volltext nur für Abonennten) (nbo)