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Universität Basel

Bioimplantate für Knochen un Knorpel

Ivan Martin, Anke Wixmerten, Marcel Jakob, Dirk Schaefer

Implantate für beschädigtes oder verlorenes Gewebe basieren meist auf Metall oder Kunststoff. Doch diese Materialien haben in Funktionalität und Haltbarkeit mehrere Nachteile. Nun zeigen Materialwissenschaft und Zellbiologie seit einiger Zeit neue Wege zur Regeneration von Gewebe und Organen. Ziel von «Tissue Engineering» ist es, biologisches Gewebe als Implantate herzustellen. Dabei kultiviert man die Zellen auf einem Gerüstmaterial, das als eine Schablone für eine langfristige Regeneration des Gewebes dient.

In den letzten 13 Jahren hat sich die «Tissue-Engineering»- Gruppe am Universitätsspital Basel aktiv an der Entwicklung, aber auch an der präklinischen und klinischen Anwendung von biologischem Ersatz für Knorpel und Knochen beteiligt. Zunächst konzentrierte sich die Forschung darauf, wie sich Wachstum und Differenzierung von menschlichen Knorpelzellen und mesenchymalen Stroma-/Stammzellen kontrollieren lassen, und zwar ausgehend von Hinweisen biochemischer, physikalischer und materialbasierter Art. Um die Studien in ein klinisches Umfeld umzusetzen, baute die Gruppe ein umfassendes Qualitätsmanagement- System auf, das den Richtlinien von «Good Manufacturing Practice» (GMP) und «Good Clinical Practice» (GCP) genügt. Basierend auf diesem System wurde 2010 von der Swissmedic die Bewilligung für die «Herstellung von Transplantatprodukten für klinische Versuche» erteilt. Hier sollen zwei laufende klinische Programme mit autologen zellbasierten Implantaten beschrieben werden, die auf dringende Patientenbedürfnisse bei der Regeneration von Skelettgewebe eingehen.

Nasale Zellen gegen Knorpelschäden
Zum ersten Programm: Die Behandlung von Gelenkknorpelverletzungen mit autologen Zellen wurde erstmals vor etwa 20 Jahren vorgeschlagen. Dabei werden die Knorpelzellen (Chondrozyten) mittels einer kleinen Biopsie von der Gelenkoberfläche entnommen, in vitro vermehrt und die Knorpelzellensuspension injiziert. Die klinischen Ergebnisse sind aber bis heute kontrovers diskutiert. Im Gegensatz zu einer solchen «Zellulartherapie» verspricht die Implantation eines mechanisch funktionellen Transplantats – also eine «Gewebetherapie» – mehrere biologische und chirurgische Vorteile. In beiden Fällen erschweren die unvorhersehbaren Schwankungen in der Regenerationsfähigkeit von autologen Chondrozyten ein zuverlässiges Engineering von Knorpeltransplantaten. Nun wurde kürzlich entdeckt, dass menschliche Zellen von Nasenknorpel, die unter minimal invasiven Bedingungen entnommen werden können, eine höhere Reproduzierbarkeit in ihrer Kapazität haben, Gewebe zu regenerieren, als Gelenkchondrozyten. Dies macht ein Engineering von Knorpelgewebe mit besseren strukturellen und funktionellen Eigenschaften möglich. Forschende und Chirurgen der Plastischen, Rekonstruktiven und Ästhetischen Chirurgie am Universitätsspital Basel haben dazu eine erste klinische Studie («Nose to nose») durchgeführt: Dabei wurden Teile der Nase nach der Entfernung eines tiefen Tumors mit Nasenknorpel aus autologen Chondrozyten rekonstruiert. Bei allen fünf bisher behandelten Patienten wurde Stabilität und Funktionalität des regenerierten Gewebes nachgewiesen. Kann der derart gebildete Nasenknorpel auch dazu verwendet werden, um Knorpelschäden im Knie zu heilen? Die «Tissue-Engineering»-Gruppe fand heraus, dass nasale Chondrozyten ähnlich wie Gelenkknorpel auf mechanische Belastung reagieren. Ebenso passt sich ihr Programm des «molekularen Gedächtnisses» (definiert durch den Hox- Code) nach der Implantation an die neue Umgebung an: In einem Modell mit Ziegen waren nasale Chondrozyten bei der Reparatur von Knorpelschäden beteiligt. Aufbauend auf diese Ergebnisse läuft derzeit eine zweite klinische Studie («Nose to knee») mit dem Ziel, grosse traumatische Gelenkknorpeldefekte, für die keine zufriedenstellende Behandlung verfügbar ist, mit gezüchtetem Nasenknorpelgewebe zu regenerieren. Diese Studie, an der sich die Traumatologie, die Plastische und Rekonstruktive Chirurgie sowie die Orthopädischen Kliniken am Universitätsspital Basel sowie die Orthopädie an Bruderholzspital und Crossklinik beteiligen, möchte die Sicherheit und Durchführbarkeit dieser Strategie bei zehn Patienten testen. Zwei von ihnen wurde der gezüchtete Knorpel bereits erfolgreich implantiert, und erste Nachuntersuchungen zeigen vielversprechende klinische Ergebnisse. Diese Therapie könnte später versuchsweise auch für degenerative Erkrankungen – etwa frühe Osteoarthritis – getestet werden, in Kombination mit chirurgischen und/oder pharmakologischen Interventionen, welche die Krankheitsentstehung angehen.

Vorläuferzellen aus Fettgewebe reparieren Knochen
Das zweite Programm: Obwohl Knochen ein hohes Potenzial zur Regeneration besitzen, heilen nicht alle Knochenverletzungen richtig aus; dies vor allem wegen der kritischen Defektgrösse, des Zustands des umgebenden Gewebes oder der körperlichen Verfassung des Patienten. Die Verwendung von aus Knochenmark isolierten und in Kultur expandierten autologen mesenchymalen Stroma-/Stammzellen (MSC) zur Heilung von Brüchen gibt es bereits längere Zeit, allerdings mit wenig Nutzen für die Patienten. Abgesehen von der heterogenen und unzureichend definierten Natur der MSC – die formal eigentlich nicht als «Stammzellen» bezeichnet werden können – besteht eine der Herausforderungen darin, eine schnelle und effiziente Versorgung des Implantats mit Gefässen zu erreichen; dies ist für die Neubildung und Funktionalität von Knochen essenziell. MSC kommen zusammen mit den Endothelzellen, die Blutgefässe bilden, etwa 100-mal häufiger im Fettgewebe vor als im Knochenmark. Sie können durch Fettabsaugen leicht gewonnen werden. Die «Tissue-Engineering»-Gruppe konnte in Tiermodellen zeigen, dass aus menschlichem Fettgewebe abgeleitete Zellen fähig waren, das Knochenwachstum ohne vorgängige Expansion zu fördern und – dank der Endothelzellen – die Gefässdurchdringung des Transplantats zu beschleunigen. Aufgrund dieser Befunde haben wir eine klinische Studie gestartet, die den Effekt autologer Zellen aus dem Fettgewebe, die während der Operation gewonnen wurden, untersucht, und zwar in der Heilung von Oberarmknochenbrüchen bei älteren Patienten vor allem mit Osteoporose. Ziel ist es, die Rate der Komplikationen und Neuoperationen zu verringern, die wegen der Fragilität des osteoporotischen Knochens in der Regel hoch ist. Kürzlich wurde der erste von rund 20 vorgesehenen Patienten in eine Pilotstudie aufgenommen, deren Ziel es ist, die Sicherheit und Durchführbarkeit des Verfahrens zu testen. Später wird eine grössere Patientengruppe notwendig sein, um die Wirksamkeit im Vergleich zu einem Kontrollverfahren ohne Zellen zu beurteilen. Ebenfalls sollen mögliche Zusammenhänge zwischen dem Phänotyp der implantierten Zellen und den klinischen Ergebnissen identifiziert werden. In einer längerfristigen Perspektive sieht das Programm vor, grössere Transplantate von einigen wenigen Kubikzentimetern herzustellen und sie vor der Implantation mit Blutgefässen zu versehen. Die Reparatur von Knochendefekten ab einer kritischen Grösse bildet derzeit eine grosse klinische Herausforderung für die Traumatologie, die Plastische und die Rekonstruktive Chirurgie.

Modernes «Tissue Engineering»
Aus biologischer Sicht erfordert eine erfolgreiche Umsetzung von Strategien in «Tissue Engineering» in der klinischen Praxis ein besseres Verständnis des Wirkmechanismus und des Weiterlebens implantierter Zellen ebenso wie die Definition von zellulären Markern, die eine Voraussage über die Regenerationsfähigkeit der Zellen des jeweiligen Patienten ermöglichen. Aus technischer Sicht würde das Gebiet stark von der Einführung von robusteren, standardisierten und automatisierten Fertigungsprozessen profitieren. Wie bei andern Produkten der Biotechnologie (etwa Antikörpern, Impfstoffen und rekombinanten Proteinen) könnte dies mit «Bioreaktoren» erreicht werden, also geschlossenen Systemen für eine kontrollierte Herstellung. Für dieses ehrgeizige Ziel hat die «Tissue-Engineering»-Gruppe in Basel ein Start-up- Unternehmen (www.cellecbiotek.com) gegründet. Weiter koordiniert sie ein EU-finanziertes Projekt (www.biocomet. eu), das voraussichtlich zu einer einzigartigen klinischen Studie führen wird, welche die Implantation von gezüchtetem Knorpel innerhalb eines automatisierten Bioreaktor- Systems untersucht. Längerfristig soll sich «Tissue Engineering» schrittweise zu modernen Konzepten der «regenerativen Medizin» entwickeln. Dabei müsste das Implantat zum Beispiel nicht mehr die Eigenschaften des Zielgewebes aufweisen, sondern nur noch die notwendigen Signale enthalten, um die Stamm- oder Vorläuferzellen zu veranlassen, ihre Regenerationsprogramme abzuspulen. Die Identifizierung solcher Signale könnte zum Beispiel durch die Rekapitulation der Entwicklungsprozesse im Embryo inspiriert werden, aber ebenso auch durch moderne Materialien, die nach räumlich und zeitlich definierten Mustern eingesetzt werden können. Die weitere Forschung wird Fachleute aus Entwicklungsbiologie, Materialwissenschaften wie auch Computer Modelling zusammenbringen. Obwohl noch in kleinem Rahmen, fördert die Situation in Basel eine einzigartige, enge und effiziente Zusammenarbeit von verschiedenen Forschungs- und klinischen Disziplinen, um biologische Implantate für die Gewebereparatur zu entwickeln. Die strukturellen Rahmenbedingungen sind auch durch das Kompetenzzentrum «Basel Stem Cell Network» der Universität Basel und das «Institut für Regenerative Chirurgie» am Universitätsspital Basel vorhanden. Die konzertierten Bemühungen werden voraussichtlich auch zur erforderlichen Infrastruktur führen, welche die internationale Wettbewerbsfähigkeit eines Gebiets steigert, das das Potenzial besitzt, wissenschaftliche Entdeckungen mit Patientenzufriedenheit und wirtschaftlichem Nutzen zu verknüpfen.

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