Gewebe vor der Züchtung nanometergenau scannen
Beim Tissue Engineering, der Gewebezüchtung oder -konstruktion, lassen Wissenschaftler an einem speziell hergestellten Gerüst Muskeln und Knochen, ja sogar ganze Organe wachsen. Basis sind die Zellen des zu behandelnden Patienten. Damit werden bei dieser Therapie Abstoßungsreaktionen des Körpers vermieden. Letztlich ist das Tissue Engineering die Vision vom perfekten Implantat.
Um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen, scannen britische Forscher zunächst das Original-Gewebe nanometergenau.„Mit der steigenden Lebenserwartung der Patienten werden wir mit neuen Herausforderungen konfrontiert, und es wird immer klarer, dass wir neue Methoden brauchen, um Gewebe zu reparieren, dass durch natürliche Alterung, Traumata oder Krankheiten degeneriert ist“, sagt Richard Oreffo von der University of Southampton.
Das Mikrotom schabt Schichten von 50 Mikrometern von den Geweben
Oreffo und sein Team wollen systematisch vorgehen beim Gewebezüchten. Um Muskeln und Knochen wiederherzustellen, scannen die Forscher diese Muskeln und Knochen zuerst. Dazu kommen die Originale zunächst unter ein Mikrotom. Das ist ein sehr spezielles Messer, welches Schichten von den Muskeln und Knochen abschneidet, die nur etwa 50 Nanometer dünn sind. Ein Menschenhaar ist etwa 1500 Mal dicker. Diese sehr dünnen Schichten der zu züchtenden Gewebe untersuchen die Forscher um Oreffo unter einem Elektronenmikroskop, um die Struktur des Gewebes zu verstehen.
Bei Knochen ist jedoch schon Schluss, denn diese sind nicht lichtdurchlässig. Daher scannen die Forscher aus Southhampton diese mit einem Kernspintomografen und erhalten so ein Strukturbild des Gewebes. Damit haben sie jeweils eine sehr detaillierte Datenbasis über den Aufbau und die Struktur von menschlichem Gewebe wie Muskel oder Knochen.
Am besten eignen sich Haut- und Knorpelzellen
Und mit dieser Datenbasis geht es dann im Labor daran, ein Gerüst zu konstruieren, an dem Zellen wachsen können, um Muskeln, Knochen, ja ganze Organe neu entstehen zu lassen. Am besten können Forscher dieses bisher bei Haut- und Knorpelzellen, sowie bei Blutgefäßen. An der RWTH Aachen und dem Universitätsklinikum Aachen stellen die Wissenschaftler Herzklappen-Prothesen auf der Basis des Tissue Engineering her, die sie bedürftigen Patienten implantieren.
Im ersten Schritt werden dem zu behandelnden Patienten im Rahmen einer Biopsie die Zielzellen entnommen, werden dann isoliert und kultiviert. Die Information über das Gerüst der Herzklappe ziehen die Wissenschaftler aus dem Blut des Patienten. Aus diesen Strukturzellen, Myobroblasten genannt, und der sogenannten Fibringelmatrix stellen sie in einem Spritzgußverfahren eine Herzklappe her, die dann nach der Kultivierung im Bioreaktorsystem als stabile Herzklappen-Struktur heranreift. Im zweiten Schritt kleiden die Forscher diese Struktur unter dynamischen Kultivierungsbedingungen im Bioreaktorsystem mit Endothelzellen aus. Am Ende dieses Prozesses steht eine vollständig patienteneigene Herzklappe, die diesem transplantiert werden kann, ohne dass Abstoßungsreaktionen zu befürchten sind.
Es gelingt damit, körpereigene Gewebe-Strukturen im Labor nachzubauen, die nicht das menschliche Abwehrzentrum wecken und auf den Plan der Verteidigung rufen. Am besten geeignet für das Tissue Engineering ist Knorpelgewebe, weil Knorpel schon im lebenden Körper aus einer einzigen Zellart besteht, ansonsten nur durch Gelenkflüssigkeit ernährt wird und sein Gerüst aus Kollagenfasern und anderen einfachen Bauteilen selber herstellt.
In Aachen gibt es eine Brückenprofessur für das Tissue Engineering
Seit März 2011 gibt es in Aachen an der Rheinisch-Westfälischen Hochschule, der RWHT Aachen die Universitätsprofessur „Tissue Engineering & Textile Implants“, die ihren Sitz am Institut für Textiltechnik (ITA) hat und von Professor Dr. med. Stefan Jockenhövel mit Inhalt gefüllt wird. Ziel dieser Brückenprofessur ist es, neue Impulse im Bereich der Gewebezüchtung und der textilen Implantate zu setzten. Es geht darum, textilbewehrte, körpereigene Gefäßprothesen zu entwickeln, die die Qualität von Bypass-Operationen zur Behandlung von Arterienverkalkung verbessern.
Mit Hilfe einer hochporösen, biologisch abbaubaren Textilstruktur wird eine körpereigene Prothese gezüchtet, die auch bei kleinen Gefäßdurchmessern nicht direkt zu Engstellen oder Verschlüssen führt. „Wir verwenden Textilstrukturen aus Polyactid. Denn es gibt Anwendungsfelder, da wollen wir, dass sich das Gerüst auflöst“, sagt Christoph Monfeld vom Institut für Textiltechnik in Aachen. „Das Gerüst mit Zellen auszukleiden ist schwierig.“
Bedarf an lebenswichtigen Organen und Geweben steigt an
Der Bedarf an lebenswichtigen Organen und Geweben für Transplantationen nach angeborenen Fehlbildungen, nach krankheitsbedingtem Funktionsausfall, nach einem Unfall oder aufgrund altersbedingter Degeneration steigt kontinuierlich. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der demographische Wandel und die steigende Lebenserwartung der Bevölkerung.
Und das sind die Zahlen, die daraus resultieren: Heute werden pro Jahr 100 000 Herzschrittmacher, 160 000 Kniegelenke sowie 600 000 Augenlinsen pro Jahr eingesetzt. Hinzu kommen etwa eine Million Zahnimplantate pro Jahr. Es gibt also ein weites Feld für das Tissue Engineering.
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