Medizintechnik 06.11.1998, 17:19 Uhr

Mit List und Tücke gegen Immunsystem

Künstliche Implantate werden vom menschlichen Organismus schnell als Fremdkörper erkannt und vom Immunsystem bekämpft. Forscher suchen daher nach Werkstoffen, die Implantate bioverträglicher machen. Daraus ergeben sich auch neue Methoden, um die Wirkung von Arzneistoffen zu testen.

Die moderne Medizin verfügt heute über ein breites Spektrum von „Ersatzteilen“ für den menschlichen Körper. Ausgewählte Metalle wie Titan und Stahl oder Keramiken haben ihren festen Platz als Ersatz für Hüft-, Knie- und Schultergelenke oder Knochen. Im weichen Körpergewebe dagegen haben Kunststoffe für Membranen, Blutgefäße, Herzklappen oder künstliche Haut große Bedeutung erlangt. Polymere lassen sich den mechanischen Anforderungen besonders gut anpassen, „doch die Bioverträglichkeit ihrer Oberflächen, die in unmittelbarem Kontakt zum Biosystem stehen, läßt oft zu wünschen übrig“, urteilt Prof. Hartwig Höcker, Leiter des Deutschen Wollforschungsinstituts und Sprecher des Kompetenzzentrums für Biowerkstoffe an der Technischen Hochschule Aachen. Doch trotz des vielseitigen Einsatzes von Implantaten „ist das Wissen über die Wechselwirkungen der Werkstoffe mit dem lebenden Organismus noch erschreckend dürftig“, gab Höcker bei einem Workshop zu innovativer Biotechnologie des Fonds der chemischen Industrie kürzlich in Ludwigshafen zu bedenken. Diese Wechselwirkungen sind äußerst komplex. Schon wenige Sekunden, nachdem das Implantat mit dem Biosystem in Kontakt gekommen ist, beginnen die Reaktionen des Körpers. Dabei kann sich das Implantat so stark verändern, daß es sogar seine notwendigen mechanischen Eigenschaften verliert. So können „Freßzellen“ des Immunsystems das Implantat befallen. Mit hochreaktiven Sauerstoffradikalen suchen sie den Fremdkörper zu beseitigen, und leiten damit einen oxidativen Abbau ein, der selbst so stabile Polymerstrukturen wie Teflon angreifen kann. Wie aggressiv Biosysteme sein können, zeigte sich bei Silikon-Implantaten in die weibliche Brust. Die Silikone waren in Polyurethanbeutel verpackt, diese Beutel wurden im Körper zerstört, so daß sie ihren Inhalt in die Umgebung freigaben. Für keramische und metallische Werkstoffe im Hartimplantatbereich des Knochengewebes ist die Bioverträglichkeit weniger kritisch. Die Forschung am Aachener Kompetenzzentrum richtet sich daher vor allem darauf, die Oberflächen von Polymeren so zu gestalten, daß das Biosystem sie nicht mehr als „fremd“ erkennen soll. Einen Schwerpunkt bilden dabei Methoden, die bei künstlichen Blutgefäßprothesen eine natürliche Gefäßinnenwand vortäuschen sollen, damit die normalen Zellen darauf wachsen und haften. Mit der Fixierung von Fibronectin, einem Eiweißstoff, der in vielen Geweben eine wichtige Rolle für Haftprozesse spielt, ist es den Aachener Forschern nun gelungen, das Wachstum von Gefäßinnenwandzellen, den sogenannten Endothelzellen, in künstlichen Blutgefäßen signifikant zu steigern. Sie konnten damit ein „Hybridsystem“ schaffen, bei dem auf einer vollsynthetischen Unterlage das biologische Material, hier die Endothelzellen, fest angekoppelt ist. Trotz dieser Erfolge argumentiert Hoecker, „daß künstliche Implantatmaterialien wohl niemals so ausgestattet werden können, daß sie das komplexe Biosystem nicht doch irgendwann als fremd entlarven könnte.“ Das Ziel des Aachener Zentrums ist es daher, vom Körper resorbierbare Werkstoffe einzusetzen, damit fremde Materialien nur vorübergehend im Organismus verbleiben. Eine poröse Struktur und spezifische Wachstumsfaktoren auf der Oberfläche sollen den jeweiligen Zellen, ob Knorpel-, Knochen- oder Bindegewebszellen, den Anreiz bieten, die Kunststoffgerüste durch und durch zu besiedeln und darauf zu wachsen. Die Zellen könnten damit ihre eigene Basalmembran produzieren und in dem Maße, wie der Kunststoff resorbiert wird, ein natürliches Gewebe aufbauen. Möglicherweise ist für das Wachstum der Zellen sogar eine schwingende Bewegung erforderlich. Bei Nervenzellen soll die Bewegung zur Ausbildung von Ladungen führen. „Dies alles werden Kunststoffe leisten“, ist Höcker überzeugt – auch wenn die Forschung bis dahin noch einen weiten Weg zurückzulegen hat. Neben der reinen Materialfrage ist die Verarbeitung solcher Biomaterialien von ganz entscheidender Bedeutung. Hier fallen der Textilindustrie wichtige Aufgaben zu, um geeignete Vliese und dreidimensionale Gewebe herzustellen. Aber auch die Kunststoffverarbeitung hat schonende Methoden zu entwickeln, die es erlauben, temperaturempfindliche bioaktive Substanzen in die Materialien einzubringen. Eine besondere Herausforderung an die Wissenschaftler stellt auch die Kopplung lebender Zellen an mikroelektronische Bauteile dar. Auf diese Weise sollen die elektrischen Signale von Biosystemen erkannt und informationstechnisch verarbeitet werden, um daran physiologische Reaktionen auf äußere Reize oder auch Wirkungen von Medikamenten zu verfolgen. Noch ist jedoch nicht geklärt, ob Zellen, die von ihrer lebendigen Umwelt abgetrennt und an Chips gekoppelt sind, ihre normalen Reaktionen auch über längere Zeit beibehalten. Erste Ergebnisse – elektrische Signale von Nervenzellen und Herzmuskelzellen aus Rattenembryonen konnten am Computer verfolgt werden – beschrieb Prof. Wolfgang Knoll vom Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Mit den Experimenten an Nervenzellen wollen die Mainzer beim Aufbau natürlicher neuronaler Netze weiterkommen. Aus den Signalen der Herzmuskelzellen dagegen ergeben sich bereits sehr konkrete Perspektiven für das Screening von Herz-Arzneimitteln. Nach den Worten von Knoll erreichen Zellen, als von der Evolution optimierte Sensoren, eine äußerst hohe Empfindlichkeit, um selbst geringste Spuren von Reaktionsprodukten in Körperflüssigkeiten zu entdecken.
URSULA SCHIELE-TRAUTH

Ein Beitrag von:

  • Ursula Schiele-Trauth

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