Gewebezüchtung

Sein Team hat sich also Gerüste bauen lassen mit verschieden geformten Poren von je etwa einem Millimeter Durchmesser. Die Formen der Querschnitte reichten vom Dreieck über das Sechseck bis zum Kreis. Da aber alle Porenöffnungen denselben Umfang besaßen, ergab sich in den verschiedenen Formen auf derselben Strecke ein kompletter Umlauf von 360 Grad. Alle Poren wiesen somit dieselbe mittlere Krümmung auf.

<div data-canvas-width="243.49733333333336">Modell nach Wunsch: Mittels Rapid Prototyping lässt sich eine Knochenstruktur dreidimensional ausdrucken. Im selben Verfahren entstehen die Gerüste, auf denen die Forscher Knochenzellen züchten.</div> Bild vergrößern
Modell nach Wunsch: Mittels Rapid Prototyping lässt sich eine Knochenstruktur dreidimensional ausdrucken. Im selben Verfahren entstehen die Gerüste, auf denen die Forscher Knochenzellen züchten.

Auf diesen Gerüsten siedelten die Wissenschaftler in einer Versuchsreihe immer wieder Osteoblasten an und warteten ein paar Wochen. „Die Ergebnisse sind verblüffend“, sagt Dunlop. Wie er und sein Team feststellten, erkennen die nur einen Mikrometer großen Osteoblasten irgendwie die Krümmung einer Fläche, die etwa tausendmal größer ist als sie selbst. Das ist so, als könnten wir allein mit dem Tastsinn unserer Füße ermitteln, ob und wie stark eine fußballfeldgroße Fläche gebogen ist. „Und die Zellen können sogar Winkel messen“, fügt Dunlop hinzu und staunt darüber immer noch.

Offenbar beruht das geometrische Gespür der Zellen darauf, dass sich ihre Aktinfilamente genau nach den mechanischen Belastungen ausrichten, denen die Zelle unterliegt. So orientieren sie sich in den Versuchen der Golmer Forscher entlang der Oberflächen der Poren. Dort verankern sich Gruppen von Zellen und üben mithilfe ihrer Muskeln Kräfte aus – sie ziehen an der Oberfläche und an ihren Nachbarn. Auf diese Weise können sie ihre Entfernung zueinander messen und mit diesen Daten die Krümmung der Oberfläche erschließen. Aber nicht jede Zelle hat derart sagenhafte mechanische Fähigkeiten, wie Dunlop in Versuchen gesehen hat. Aus Stammzellen differenzierte Fettzellen beispielsweise ziehen nicht an ihrer Umgebung, Bindegewebszellen dagegen sehr wohl.

John Dunlops Gruppe fand auch heraus, wie das Wachstum der Osteoblasten von der Krümmung der Oberfläche abhängt. Auf konvexem, also nach außen gewölbtem Untergrund wachsen die Zellen gar nicht, und für nach innen gewölbte Flächen gilt: „Je  stärker die Krümmung in einer  Pore, desto schneller bauen sie Gewebe an“, erklärt der Chemiker. Auf ebenem Gelände vermehren sich die Zellen kaum, und auch in den Ecken sechseckiger Poren gedeiht das Gewebe viel langsamer als in den Winkeln drei- oder viereckiger Hohlräume. Da in dem Golmer Experiment alle Poren im Mittel jedoch gleich stark gekrümmt waren, füllten sie sich unterm Strich auch im selben Tempo mit den Knochenzellen.

Mesenchymale Stammzellen, die sich in Richtung Knochenzellen weiterentwickeln, verhalten sich genauso wie die Osteoblasten. Vermutlich sind die Prinzipien für Knochenzellen universell.

„Die einfache Beziehung zwischen der mittleren Krümmung und der Wachstumsrate der Knochenzellen ist aus anderen Zusammenhängen wie etwa der Bildung von Seifenblasen bekannt“, sagt John Dunlop. „Festzustellen, dass so ein einfaches Gesetz auch  in einem ganz anderen Bereich gilt, war ein großer Moment in meiner bisherigen Forschung.“ Anhand ihrer Erkenntnisse können die Forscher nun Gerüste mit optimaler Geometrie entwickeln, um künstliches Knochengewebe zu züchten. So lässt sich das Wachstumstempo gegenüber bisher üblichen Gerüsten verdoppeln – ohne dass Wachstumsfaktoren benutzt werden müssen. Ein paar Hinweise können die Golmer Forscher bereits geben. Die Poren des Gerüstmaterials sollten etwa 50 bis 100 tausenstel Millimeter groß sein – mit so vielen Winkeln wie nur möglich. Kreuzförmige Poren könnten als erste Annäherung dienen.

DIE OBERFLÄCHE IST NUR AM ANFANG ENTSCHEIDEND

Aus welchen biologischen Gründen starke Krümmungen die Knochenzellen besonders zur Teilung anspornen, können die Forscher allerdings noch nicht im Detail erklären. „Die Oberflächen der Gerüste, die sich nach einem Bruch im Körper bilden, sind sehr rau, weisen also viele Krümmungen auf“, erklärt John Dunlop. Bisher wissen Forscher darüber kaum mehr: Die genauen geometrischen Verhältnisse, unter denen Knochenzellen in Organismen wachsen, sind schwierig zu untersuchen. Daher gibt es dazu noch keine befriedigenden Daten.

Die Oberfläche des Gerüsts ist jedoch nur ganz am Anfang des Knochenwachstums entscheidend, wie John Dunlop festgestellt hat. Nachdem sich die ersten Zellschichten gebildet haben, spielt es kaum noch eine Rolle, aus welchem Material das Gerüst gebaut ist und welche Topografie es besitzt.

Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen haben die Forscher ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem sie immer neue Formen der Poren in Gerüsten testen, um irgendwann einen optimierten Prototyp zu präsentieren. „Wir wollen den ganzen Prozess rationalisieren“, sagt Peter Fratzl, „wir sind mittendrin und kommen gut voran.“ Bisher berücksichtigt das Tissue Engineering zwar noch keine geometrischen Aspekte bei der Herstellung von Gerüsten, aber der Max-Planck-Direktor ist zuversichtlich: „In absehbarer Zeit werden unsere Kooperationspartner die Erkenntnisse im Tiermodell testen.“ Und irgendwann am Menschen.

AUF DEN PUNKT GEBRACHT

- Mit dem Studium der Faktoren, die das Knochenwachstum beeinflussen, versuchen Forscher die optimalen Bedingungen zu finden, um künstliches Knochengewebe  zu züchten.

- Knochenzellen registrieren die Härte und Geometrie einer Oberfläche mithilfe ihrer Aktinfilamente.

- Wie gut sich Osteoblasten vermehren, hängt am Anfang des Knochenwachstums unter anderem von der Geometrie der Oberfläche ab – je stärker gekrümmt diese ist, desto schneller teilen sich die Zellen.

GLOSSAR

Aktinfilamente: Aus dem Strukturprotein Aktin aufgebaute, fadenförmige Strukturen. Sie stabilisieren als Bestandteile des Zytoskeletts die Zellen und sind am Stofftransport in der Zelle ebenso beteiligt wie an der Kontraktion der Muskeln.

Fibrin: Ein Protein, das bei der Blutgerinnung polymerisiert und eine Wunde verschließt.

Mesenchymale Stammzellen: Vorläuferzellen des Bindegewebes, die sich in eine Vielzahl von Zellen differenzieren können. Aus ihnen können beispielsweise Osteoblasten entstehen.

Osteoblasten: Knochenbildende Zellen, die ständig Knochen aufbauen und bei der Heilung von Knochenbrüchen eine wichtige Rolle spielen.

Osteoporose: Eine Krankheit, bei der Knochen im Alter anfälliger für Brüche werden. Sie entsteht, wenn Knochensubstanz zu rasch abgebaut wird, weshalb die Knochendichte sinkt und die Struktur der Knochen sich ändert.

Zur Redakteursansicht
loading content