Gewebezüchtung

WIE KNOCHENZELLEN SICH AUF OBERFLÄCHEN VERHALTEN

Die Erfolge seien auch deswegen bescheiden, weil die Forschung die Wechselwirkungen der beteiligten Zellen untereinander und mit den Zellzwischenräumen, der extrazellulären Matrix, nicht verstanden hat. Aber „das ist ein Riesending“, urteilt der Max-Planck-Direktor und betont, dass die Fachleute aus Golm erst einmal einen Schritt zurückgegangen seien. Sie widmen sich mit Experimenten in der Zellkultur, mit physikalischen Messmethoden und mit Computersimulationen den Grundlagen eines wichtigen Teilbereichs des Tissue Engineering: dem  Verhalten der Zellen auf einer Oberfläche, genauer gesagt: dem Gerüst, auf dem sie sich bei der Züchtung künstlichen Gewebes vermehren.

<div data-canvas-width="236.11000000000007">Die Golmer Wissenschaftler gießen Knochenproben in Kunststoff, um sie zu stabilisieren und weiterzubearbeiten. Für ihre Untersuchungen verwenden sie Ratten- und Schafknochen.</div> Bild vergrößern
Die Golmer Wissenschaftler gießen Knochenproben in Kunststoff, um sie zu stabilisieren und weiterzubearbeiten. Für ihre Untersuchungen verwenden sie Ratten- und Schafknochen.

Die Forscher untersuchen zudem, welche Oberflächenformen Osteoblasten am besten wachsen lassen. Und wie sich die mechanischen Eigenschaften von Knochen, abhängig von den eingelagerten Mineralpartikeln, verändern. Grundlage, um diese Fragen beantworten zu können, ist das genaue Verständnis, wie Knochen nach einem Bruch im Detail heilt – ein weiteres Forschungsthema am Golmer Max-Planck-Institut. Das Ziel: optimale Bedingungen für die Zellen zu schaffen, damit sie rasch funktionsfähiges Gewebe für die Patienten bilden.

Dass bestimmte biochemische Signalstoffe die Vermehrung von Zellen stimulieren, ist lang bekannt. Diese Wachstumsfaktoren werden Patienten in hohen Dosen in den Körper gespritzt, um die Knochenheilung anzuregen. „Das ist der klassische Ansatz, im Sinne eines chemischen Wirkstoffs als Medikament“, sagt John Dunlop. Die Zellen registrieren die biochemische Botschaft der Wachstumsfaktoren und setzen ihre Maschinerie in Gang, um sich zu teilen. Allerdings sind die langfristigen Nebenwirkungen gefährlich und unberechenbar – etwa die Entstehung von Tumoren.

Auch eine Art von Knochenjob: Die Proben stellen die Forscher mit einer Knochensäge her. Bild vergrößern
Auch eine Art von Knochenjob: Die Proben stellen die Forscher mit einer Knochensäge her.

Wachstumsfaktoren geben Forscher auch zu knochenbildenden Stammzellen in die Nährlösungen, um die Zellen zu vermehren und dann an einem Gerüst aus Kunststoffen oder anderen Materialien dreidimensional gedeihen zu lassen. Dabei reagieren die Zellen irgendwie mit der Oberfläche des Gerüstmaterials – und auf sie. „Deshalb gibt es auch physikalische Randbedingungen für das Wachstum von Knochengewebe“, sagt Fratzl. Zu Knochenzellen etwa entwickeln sich Stammzellen nur auf harten Oberflächen; auf weichen werden sie zu Nervenzellen.

Schon der Umstand, dass die zellulären Multitalente auf mechanisch verschiedenen Oberflächen unterschiedliche Funktionen entwickeln, zeigt: Eine Zelle kann Kräfte und die mechanischen Eigenschaften der Umgebung – ob sie sich etwa auf einer harten oder weichen Oberfläche befindet – regelrecht fühlen, ertasten. Die Zellen antworten also allein auf die mechanischen Informationen, die von ihrer Hülle, ihrer Membran, über bestimmte Proteinkomplexe nach innen weitergeleitet werden.

Im Inneren der Zelle reagieren daraufhin die „Muskeln“ der Zelle, sogenannte Aktinfilamente, die sich in Anpassung an die äußeren Signale ständig umbauen. So verändert sich die Form der Zelle im Raum. Das bekommt die Schaltzentrale der Zelle im Zellkern mit. Hier werden jetzt bestimmte Gene aktiviert, die der Zelle sagen: „Teile und vermehre dich!“ Oder: „Alles bleibt so, wie es ist.“ Oder auch: „Stirb!“

Weil die Zellen eines Gewebes über den Zellzwischenraum mittels direkter Kontaktstellen in Verbindung stehen, können sie mechanisch mit ihren Nachbarn kommunizieren und so ihr Verhalten aufeinander abstimmen. Auf diese Weise entstehen Verhaltensmuster von Zellverbänden. Genau diese Dynamik von Zellverbänden interessiert die Potsdamer Forscher.

Materialwissenschaftler Wolfgang Wagermaier untersucht, wie das Knochengewebe bei seiner Heilung derlei Prozesse nutzt – anhand fixierter Proben von Ratten- und Schafknochen. Nach einem Bruch wächst um die Bruchstelle ein fibrinhaltiges, weiches und klumpiges Gewebe: der Kallus – „eine Art natürliche Schiene, die die beiden Knochenenden miteinander verbindet“, wie Wagermaier sagt. In diesem Kallus, hat der Forscher gezeigt, läuft die Knochenheilung in zwei Stufen – und zwar genauso wie bei der täglichen Neubildung von Knochen (siehe Kasten auf Seite 1).

Im ersten Schritt wandern in den Kallus Osteoblasten, die trotz der weichen Umgebung zügig einen einfachen, relativ ungeordneten Knochen bilden. „Wir haben weiter gefunden, dass die Osteoblasten dieses erste Gerüst nutzen, um sich zu organisieren“, erklärt Wagermaier. Sie besiedeln die Oberflächen, kommunizieren untereinander mit mechanischen Signalen, bilden flache dreidimensionale Strukturen. Sie machen jetzt schon einen mechanisch viel besseren Knochen als zuvor: einen lamellaren Knochen. Er ist hoch orientiert und entsprechend stabil gebaut. „Die Organisation und die Kooperation entscheiden“, fügt Fratzl hinzu, „den Osteoblasten ist es nicht egal, ob sie sich in einem reinen Bluterguss befinden oder in einer 3D-Situation, in der sie von ihren Vorgängern produzierte feste Oberflächen finden.“

<p>Die Etappen der Knochenreparatur: Bei der Heilung eines Bruches entsteht um die Bruchstelle (BS) der Kallus (Ka). Die Aufnahme mit einem Elektronenmikroskop erfasst den Bruch nach neun Wochen am äußeren Kortex (Ko) des Knochens. Im Kallus entwickelt sich in den ersten beiden Wochen zunächst ein wenig geordneter Knochen (b), an dem sich später gebildete Knochenlamellen ausrichten (c). Dunkelgraue Bereiche zeigen kürzlich gebildete Knochenstrukturen, die hellen Areale stellen vor Längerem entstandenes Gewebe dar.</p> Bild vergrößern

Die Etappen der Knochenreparatur: Bei der Heilung eines Bruches entsteht um die Bruchstelle (BS) der Kallus (Ka). Die Aufnahme mit einem Elektronenmikroskop erfasst den Bruch nach neun Wochen am äußeren Kortex (Ko) des Knochens. Im Kallus entwickelt sich in den ersten beiden Wochen zunächst ein wenig geordneter Knochen (b), an dem sich später gebildete Knochenlamellen ausrichten (c). Dunkelgraue Bereiche zeigen kürzlich gebildete Knochenstrukturen, die hellen Areale stellen vor Längerem entstandenes Gewebe dar.

Um dem Knochen die Geheimnisse seiner Dynamik zu entlocken, nutzt Wagermaier alle möglichen Verfahren, wie etwa Hightech-Mikroskopie und Spektroskopie, aber auch großes Gerät. Gerade bereitet er wieder einen Versuch im Synchrotron-Speicherring in Berlin-Adlershof vor, wo er die Mineralpartikel in Knochenproben analysiert. Sie sind die kleinsten Teile im Knochengewebe. Der Materialwissenschaftler verfolgt die verschiedenen Stadien der Heilung und sieht, wie Ausrichtung und Größe der Mineralpartikel die mechanische Qualität des Knochens prägen. Oder wie sich die interne Struktur des Knochens und der Knochenzellen verändert, wenn an diesen gezogen wird oder wenn sie sich selbst an einer Oberfläche verankern und Kraft ausüben. Auch die dabei gewonnenen Erkenntnisse dienen eines Tages letztlich der optimierten Züchtung von  Knochen.

Bereits jetzt verwendet John Dunlop die Ergebnisse, um seine Experimente zu gestalten oder zu verfeinern. Der Australier beschäftigt sich am Golmer Max-Planck-Institut damit, wie die Feinstruktur eines künstlichen Gerüsts beim Tissue Engineering aussehen sollte, damit sich möglichst rasch mechanisch einwandfreies Knochengewebe bildet. Dunlops Arbeitsgruppe verwendet dazu das Rapid Prototyping. Mit diesem Verfahren lassen sich zum Beispiel Gerüste aus Kunststoff oder anderen Materialien am Computer entwerfen und formgetreu dreidimensional ausdrucken. Damit können wir die Oberfläche des Materials haargenau nach unseren Wünschen variieren“, erklärt Dunlop.

DICHTER KNOCHEN IST NICHT IMMER GUT
Gerät der ständige Auf- und Abbau von Knochen im höheren Alter zunehmend aus dem Gleichgewicht, droht dem Körper Knochenschwund (Osteoporose). Im Wesentlichen handelt  es sich dabei um eine Störung des Knochenumbaus. Davon betroffen sind in Deutschland knapp acht Millionen Menschen – meist Frauen nach den Wechseljahren. Weil ihre Knochenmasse weniger dicht ist, wächst das Risiko eines Bruchs schon bei geringen Belastungen. Die Dichte des Knochens – seine Quantität – lässt sich leicht messen. Nicht so die Qualität des Knochens, die man nur bestimmen kann, wenn Patienten einer Biopsie unterzogen  werden. Die Golmer Wissenschaftler sind Experten in puncto Qualitätsmessung und haben in klinischen Studien neuer Osteoporose Medikamente vor allem zusammen mit dem Wiener Ludwig-Boltzmann-Institut für Osteologie getestet, ob die Präparate die Qualität neu gebildeten Knochens mindern. Ein Knochen ist dann qualitativ gut, wenn die nur drei Nanometer dünnen Mineralplättchen parallel zu den Kollagenfibrillen ausgerichtet sind, und zwar innerhalb und an der Oberfläche der Kollagenfibrillen. Zudem machen Mineralien in  einem normalen Knochen 30 bis 40 Prozent seines Volumens aus. Die Studienresultate zeigen, dass die heute häufig verabreichten Bisphosphonate der Knochenqualität auch nach zehn Jahren Behandlung in den meisten Fällen nicht schaden. Die  heute nicht mehr eingesetzten Fluorpräparate erhöhten zwar die Dichte des Knochens, beeinträchtigten aber seine Qualität. Bei der Behandlung mit strontiumhaltigen Präparaten wird dieses calciumähnliche Element in das Knochenmineral  eingelagert und dort gespeichert, was aber die mechanische Qualität des Knochenmaterials nicht beeinflusst.

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