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Wie entstehen künstliche Knochen?
Wir entnehmen Unfallpatienten Stammzellen aus dem Beckenkamm. Diese werden auf Gerüststrukturen (Matrix) angesiedelt und in einen Bioreaktor gebracht, wo sie sich unter bestimmten Bedingungen vermehren. Die Matrix kann etwa aus Spenderknochen bestehen, aus dem die Zellen und der Kalkanteil entfernt wurden. Übrig bleibt eine leicht elastische Struktur, die im Bioreaktor verformt werden kann. Die Zellen sitzen auf und in dieser Matrix und werden ebenfalls verformt. Das ist für die noch unspezifischen Stammzellen ein Signal, sich zu Knochenzellen zu entwickeln und zu vermehren.
Knochen werden demnach durch mechanische Reize, also Bewegung, stabil. Wie halten Sie die elastische Matrix in Schwung?
Die mechanische Stimulierung wird im Bioreaktor von einem speziell entwickelten Mechanoreaktor übernommen. Dieser erzeugt vorsichtig dosierte und fein kontrollierte Bewegungen in der Matrix, die zudem unter bestimmten Temperaturbedingungen permanent von Nährstoffen umspült wird. Diese gleichmäßigen Bewegungen sind wie ein Training für die künstlichen Knochen.
Im Mai 2006 ist es Ihnen zum ersten Mal gelungen, ein Implantat in eine Knochenlücke im Schienbein zu setzen. Mit Erfolg?
Nicht ohne Schwierigkeiten, aber letztlich erfolgreich. Ab dem Zeitpunkt, an dem das Implantat in den Körper eingesetzt wird, übernimmt dieser die Aufgabe des Bioreaktors. Der riesige Defekt am Schienbein wurde mit dem gezüchteten Knochen gefüllt. Zusätzlich musste eine Abstützung mit einem Metallnagel erfolgen, der später wieder entfernt werden kann. Die Kernfrage ist immer, inwieweit es den neu einsprossenden Blutgefäßen gelingt, für das Einwachsen des Implantats in den Körper zu sorgen. Das ist hier rasch erfolgt. Unmittelbar nach der Operation konnte die Patientin mithilfe von Gehstützen laufen.
An welchen Verbesserungen des Tissue Engineering forschen Sie derzeit?
Trotz erster Erfolge ist die Methode natürlich noch nicht ausgereift. Eine der Schwierigkeiten ist die Ernährung großer gezüchteter Knochenblöcke. Sie können durch Diffusion nicht ausreichend ernährt werden, sondern brauchen Blutgefäße, die Nährstoffe bis tief ins Innerste des gezüchteten Knochens bringen. Dazu testen wir im Labor zwei Methoden: Zum einen verpflanzen wir den Knochenblock unter einen Muskel, bis Gefäße einwachsen, zum anderen erproben wir Hormone, die das Gefäßwachstum fördern.
Können Sie auch Knorpel züchten?
Knorpel zu züchten ist sogar einfacher als Knochen zu kultivieren. Knorpel wird in einem kommerziellen Labor gezüchtet. Anschließend setzen wir die künstlichen Knorpelscheiben wieder in das Gelenk ein, um dort abgenutzte oder verletzte Knorpelflächen zu ersetzen. Meine Vision ist es, in Zukunft ganze Gelenkteile, also Knochen und Knorpel zusammen, zu züchten, um Prothesen zu ersetzen.
Interview: Nina Lutz
