Gewebezüchtung

Knochengerüst mit Ecken und Kanten

Von künstlichem Knochen würden Patienten mit Osteoporose ebenso profitieren  wie solche mit schweren Verletzungen oder Knochenkrebs. Unter welchen Bedingungen sich Knochengewebe optimal züchten lässt, erforschen Peter Fratzl, John Dunlop und  Wolfgang Wagermaier am  Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm.

Text: Klaus Wilhelm

<p>An den natürlichen Grenzen des Wachstums: Mithilfe dieser D-Kopien menschlicher Knochenstruktur untersuchen Materialwissenschaftler, wie sich die Krümmung der Oberfläche auf die Vermehrung von Knochenzellen auswirkt. Wie die Forscher vermuten, wächst die schwammartige Struktur nicht komplett zu, weil ihre mittlere Krümmung null ist. So bleibt Platz für das Knochenmark.</p> Bild vergrößern

An den natürlichen Grenzen des Wachstums: Mithilfe dieser D-Kopien menschlicher Knochenstruktur untersuchen Materialwissenschaftler, wie sich die Krümmung der Oberfläche auf die Vermehrung von Knochenzellen auswirkt. Wie die Forscher vermuten, wächst die schwammartige Struktur nicht komplett zu, weil ihre mittlere Krümmung null ist. So bleibt Platz für das Knochenmark.

Knochen stehen für Härte und  Stabilität, dennoch herrscht  ständig Bewegung in ihnen –  zumindest biologisch. Bei ihren mechanischen Eigenschaften  denkt man vielleicht eher an einen leblosen, robusten, simpel aufgebauten Werkstoff. Doch Knochen sind unfassbar komplex und viel dynamischer als alle künstlichen Materialien, die Ingenieure ersonnen haben. „Das ist eine  echte Herausforderung für einen Materialwissenschaftler, aber das reizt uns ja  auch“, meint Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung im  brandenburgischen Potsdam-Golm.

„Wir wollen sehr genau wissen, was im Knochen vor allem bei der Heilung nach einem Bruch abläuft“, erklärt der gebürtige Wiener. Das vielfältige Interesse lässt sich schon daran ermessen, dass sich mit den knöchernen Details in der Abteilung „Biomaterialien“ des  Golmer Max Planck-Instituts eine bunte Mannschaft aus Physikern, Biologen, Chemikern, Materialwissenschaftlern, Mathematikern und Informatikern beschäftigt.

Das Team verfolgt mit seinen grundlegenden Studien das praktische Ziel, „dass unser Wissen von Ärzten mittel- bis langfristig für die Patienten angewendet wird“. Fratzl denkt an Leute mit Knochendefekten, die eine bestimmte Größe überschreiten und die Selbstheilungskräfte des Knochens überfordern – etwa nach schweren Verletzungen, bei Knochenkrebs oder bei chronischen Erkrankungen wie Osteoporose.

TISSUE ENGINEERING ERFÜLLT DIE HOFFNUNGEN NOCH NICHT

Stichwort Osteoporose (siehe Kasten auf Seite 2): Der Wissenschaftler berichtet von vielen älteren Menschen mit Oberschenkelhalsbrüchen, deren Knochen nur noch sehr langsam heilen. Was Folgeprobleme hervorruft: zum Beispiel lange Liegezeiten mit der Gefahr, dass sich chronisch offene Wunden entwickeln. So kann ein Oberschenkelhalsbruch, der vielleicht harmlos erscheint,  letztlich tödlich enden. „Dass wir diesen Patienten vielleicht eines Tages helfen können, das motiviert uns reichlich.“ Und die Kooperationspartner der Golmer ebenso, vor allem Experten des  Julius Wolff Instituts der Charité – Universitätsmedizin Berlin.

<div data-canvas-width="210.9788333333333">Kampf gegen Osteoporose: Direktor Peter Fratzl hofft, dass seine Forschung eines Tages Menschen mit Knochenschwund bei der Heilung von Brüchen helfen kann.</div> Bild vergrößern
Kampf gegen Osteoporose: Direktor Peter Fratzl hofft, dass seine Forschung eines Tages Menschen mit Knochenschwund bei der Heilung von Brüchen helfen kann.

Erste Ergebnisse haben Peter Fratzl und seine Mitarbeiter bereits erzielt. So haben sie herausgefunden, dass Zellen Sagenhaftes können: die Krümmung einer Oberfläche ertasten, die viel größer ist als sie selbst. Und dass allein die Geometrie von Oberflächen das Wachstum knochenbildender Zellen entscheidend beschleunigen kann. Derlei Erkenntnisse können dazu beitragen, die Züchtung von Knochen im Sinne des Tissue Engineering zu optimieren – mit diesem plakativen Schlagwort wurde in den 1990er-Jahren einer der großen Hoffnungsträger der modernen Medizin benannt. Das Versprechen war seinerzeit groß: Beliebiges Gewebe werde man in spätestens zwanzig Jahren im Labor aus einzelnen Zellen züchten können. Es schien idealer Ersatzstoff für Gewebe, das im Zuge verschiedener Erkrankungen verloren geht – zum Beispiel Herzgewebe für Patienten nach einem Herzinfarkt oder eben Knochengewebe für Leute mit Osteoporose bei schwer heilbaren Brüchen.

Die Erforschung von Stammzellen  aus Embryonen oder aus Geweben von  Erwachsenen befeuerte die Vision zusätzlich, denn diese Zellen mit ihrer Vielseitigkeit sind möglicherweise der ideale Rohstoff für die Züchtung von Gewebe. Seither haben Ärzte ihren Patienten Zellen und Gewebe, die mittels verschiedener Verfahren hergestellt wurden, verabreicht. Vor allem Knorpel  wird heute auf diesem Wege ersetzt. „Aber die großen Hoffnungen haben sich noch nicht erfüllt“, sagt Peter Fratzl und beklagt, „dass die Anwendung oft schneller ging als das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse“.

DAS SKELETT UNTER STÄNDIGER RENOVIERUNG

Das menschliche Skelett besteht aus gut 200 Knochen – die genaue Zahl lässt sich nicht bestimmen, weil manche Knochen im Laufe des Lebens zusammenwachsen. Ihr Aufbau ist komplex. Aus Sicht eines Materialwissenschaftlers ist Knochen zunächst einmal ein Komposit – ein Verbundwerkstoff  aus mehreren Materialien. Unterhalb der Knochenhaut liegt eine dicke Schicht dichten Knochengewebes, die im Inneren übergeht in ein schwammartig aufgebautes Gerüstwerk feiner Knochenbälkchen (Spongiosa). Die Konstruktion ist stabil und dennoch leicht. Die eigentliche Knochensubstanz besteht aus unterschiedlichen Knochenzellen (Osteozyten). Diese sind eingebettet in eine Matrix, welche aus calciumhaltigem Hydroxylapatit, Eiweißen wie länglichen Kollagenmolekülen (Fibrillen), Wasser, Mineralpartikeln und anderen Substanzen besteht. Vor allem die Mineralpartikel wie Calcium machen den Knochen fest und hart. Im Knochengewebe herrscht niemals Ruhe. Täglich baut es sich um, abgenutzte Substanz wird durch neue ersetzt. Zusammenwirkende Hormone, Vitamine und Botenstoffe regulieren die nicht endenden Bauarbeiten. Den eigentlichen Job verrichten die knochenaufbauenden Osteoblasten und die knochenabbauenden Osteoklasten. Die Umbauprozesse haben System und erfolgen abhängig davon, wie ein Knochen beansprucht wird. Richard Weinkamer vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung hat das in einer Computersimulation verfolgt. Demnach fühlen Knochenzellen (Osteozyten) in der Matrix die Art der mechanischen Beanspruchung und geben gemeinsam ein Signal, sodass die neue Knochensubstanz auf die häufigste mechanische Belastung abgestimmt ist. Bewegung ist übrigens das Beste für die Knochen. Bis etwa zum dreißigsten Lebensjahr produzieren die Knochen in der Summe mehr Masse, als sie abbauen. Danach geht im Zuge der Alterung mehr verloren, als gewonnen wird.

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