Materialwissenschaften Eine neue Matrix für die regenerative Medizin

Dreidimensionale Gerüste, auf denen sich Zellen ansiedeln und zu Geweben oder Organen heranwachsen können, sind in der regenerativen Medizin begehrt. Materialwissenschaftler der Universität Würzburg haben jetzt eine neue Technik entwickelt, mit der sich deutlich schneller als bisher Fasern und Faserstrukturen herstellen und mit den unterschiedlichsten Eigenschaften versehen lassen.

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Würzburg – Die Anforderungen an diese Fasern sind hoch: Im menschlichen Körper eingesetzt, müssen sie rückstandslos abbaubar sein – und das nicht zu schnell, aber auch nicht zu langsam. Nur ganz bestimmte Zellen sollen sich auf ihnen ansiedeln, untereinander verbinden und zu komplexen Strukturen heranwachsen. Andere Substanzen hingegen, beispielsweise Proteine und Zellen aus dem Blut, sollen ihnen fern bleiben.

Professor Jürgen Groll erforscht diese extrem dünnen Polymerfäden, die zu Netzen oder dreidimensionalen Strukturen verwoben werden können und die in der Medizin zum Einsatz kommen sollen. Seit August dieses Jahres leitet er den Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe in der Medizin und der Zahnheilkunde der Universität Würzburg. Jetzt hat er eine vielversprechende Neuentwicklung der Öffentlichkeit präsentiert.

Extrem dünne Fäden wachsen im elektrischen Feld

„Es ist uns gelungen, eine Technik zu entwickeln, die solche Fasern in einem einzigen Arbeitsschritt herstellt“, sagt Groll. Ultradünne Polymerfasern zu produzieren: Das war bisher schon möglich. „Electrospinning“ heißt die dahinter steckende Technik. Das Prinzip: An eine Flüssigkeit wird ein elektrisches Feld angelegt, das dünne „Jets“ erzeugt. Die Fasern, die dabei entstehen, sind bis zu zehn Nanometer dünn.

Groll und seine Mitarbeiter haben diese Technik jetzt einen deutlichen Schritt voran gebracht. Dazu haben sie ein besonderes Makromolekül entwickelt. Gibt man dieses Molekül in die Flüssigkeit, aus der die Fasern hergestellt werden, verändert sich deren Oberfläche radikal. „Dieses Molekül verwandelt die an und für sich wasserabstoßenden Fasern in ‚hydophile‘, also wasseranziehende Fasern“, erklärt Groll. Damit unterdrückt es die Anlagerung unerwünschter Proteine an der Faseroberfläche.

Dass sich Proteine unkontrolliert an Polymerfäden anlagern, ist in der Medizin ein gefürchteter Effekt. Er tritt normalerweise sehr schnell auf, wenn Materialien in den Körper eingesetzt wird. „Auf den hydrophoben Oberflächen werden die Proteine schnell denaturiert“, sagt Groll. Dadurch besteht die Gefahr, dass das Immunsystem aktiviert wird und die Wundheilung gestört – alles unerwünschte Nebenwirkungen. „Deshalb ist es äußerst wichtig, die Anlagerung solcher Proteine zu verhindern“, so der Polymerchemiker.

Baugerüst für körpereigene Zellen

Andere Anheftungen sind hingegen mehr als erwünscht: Körpereigene Zellen sollen sich an den Faserstrukturen anlagern, untereinander verbinden und zu einer kompakten Struktur heranwachsen. Auf diese Weise können Mediziner beispielsweise dem Körper dabei helfen, großflächige Verletzungen schneller wieder zu schließen. Im Labor arbeiten Wissenschaftler daran, mit Hilfe dieser Fasern neue Gewebe, möglicherweise sogar neue Organe zu produzieren. Dazu konstruieren sie mit den Polymerfäden dreidimensionale Gerüste in der benötigten Form, auf denen sich anschließend die gewünschten Zellen ansiedeln – beispielsweise Leberzellen, wenn es darum geht, eine neue Leber herzustellen, oder Knorpelzellen, die Ersatz für zerstörte Gelenkoberflächen schaffen sollen.

Der Vorteil solcher Implantate liegt auf der Hand: Weil sich das neue Organ aus Zellen des jeweiligen Patienten entwickelt hat, kommt es nach der Implantation zu keiner Abstoßungsreaktion. Auf eine medikamentöse Therapie, die heutzutage nach Fremdtransplantationen zwingend erforderlich ist, kann deshalb verzichtet werden. Und die Fasern werden nach wenigen Monaten rückstandslos abgebaut.

Neue Organe wachsen im Labor

„Je nachdem, welche Zellen sich an den Fasern anlagern sollen, geben wir ihnen die entsprechenden bioaktive Peptide auf der Oberfläche mit“, sagt Groll. Diese sorgen dafür, dass genau die Zellen angelockt werden, die im jeweiligen Fall benötigt werden.

Mit der von Groll und seinen Mitarbeitern entwickelten Technik lassen sich jetzt deutlich schneller als bisher Fasern und Faserstrukturen herstellen und mit den unterschiedlichsten Eigenschaften versehen. Groll ist überzeugt davon, dass es diese Technik schon in naher Zukunft möglich macht, im Labor Strukturen zu konstruieren, auf denen komplexe Gewebe wachsen können.

Originalveröffentlichung:

“Degradable polyester scaffolds with controlled surface chemistry combining minimal protein adsorption with specific bioactivation”, Dirk Grafahrend, Karl-Heinz Heffels, Meike V. Beer, Peter Gasteier, Martin Möller, Gabriele Boehm, Paul D. Dalton and Jürgen Groll. Nature Materials, DOI: 10.1038/NMAT2904

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