Knorpel, maßgeschneidert aus körpereigenen Stammzellen

An der Universität Leipzig startete im August ein neues Projekt der Stammzellforschung. Ziel des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 1,6 Millionen Euro unterstützten, drei Jahre laufenden Projektes ist die Entwicklung eines Bioreaktors, der die kostengünstige, automatisierte Produktion von Gelenkknorpelersatzgewebe aus Stammzellen des jeweiligen Patienten ermöglicht.

Kleiner als ein Euro sind die rosa Gel-Plättchen, die auf einer kaum handtellergroßen Scheibe für ihren Einsatz im Bioreaktor angeordnet werden. Und auch dieser Reaktor würde in jede Aktenmappe passen. „Unser Ziel ist es, dass solch ein Bioreaktor in jedem Krankenhaus zum Einsatz kommen kann“, erläutert Ronny Schulz, der Entwicklungsingenieur des Gerätes vom Biotechnologisch-Biomedizinischen Zentrum (BBZ) der Universität Leipzig und beschreibt dessen Funktionsweise: „Im OP werden dem Patienten aus dem Beckenkamm Stammzellen entnommen, aufgereinigt und unter sterilen Bedingungen in dieses Gel eingebettet. Das fungiert dann als Gerüst für die zu Knorpelgewebe heranwachsenden Stammzellen.“ Diese ganz speziellen Körperzellen sind anfangs noch relativ flexibel in der Rolle, die sie im Organismus übernehmen könnten. So könnte aus ihnen zum Beispiel Knorpel-, Knochen- aber auch Fettgewebe entstehen. „Unter definierten Bedingungen jedoch, kann drei Wochen später funktionelles Knorpelgewebe dem Bioreaktor entnommen und dem Patienten an die geschädigten Gelenkareale verpflanzt werden.“

Nun ist die Verpflanzung von körpereigenem Knorpelersatzgewebe keine medizinische Neuheit mehr. Schon seit Jahren transplantieren es Chirurgen von einer weniger beanspruchten Stelle des Gelenks auf eine mit Defekten. Auch die Vermehrung von Knorpelgewebe im Labor und dessen Verwendung als „Flicken“ ist längst Praxis. Allerdings haben dabei bisher lediglich vorhandene Knorpelzellen neue Knorpelzellen produziert. „Diese Implantate haben jedoch – ganz abgesehen davon dass man für deren Erzeugung intaktes Gewebe angreifen muss – nur begrenzte Einheilungschancen“, so Schulz . „Wesentlich größeres Potential erhoffen wir uns von der Knorpelregeneration aus körpereigenen Stammzellen.“

Um diese komplexe Aufgabe zu lösen, kooperiert ein Konsortium von Stammzellbiologen, Biophysikern und Bioinformatikern mit der Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie der Universität Leipzig und der Industrie. „Hier kommen Leipziger Innovationen aus den Bereichen Laserphysik, Lipid- und Proteinanalyse sowie der akustischen Mikroskopie erstmals in der Stammzellbiologie zum Tragen“, umreißt Prof. Markus Löffler das Verbundprojekt am Leipziger Interdisziplinären Zentrum für Bioinformatik, das er initiiert hat. Es trägt den Namen MS CartPro – die Abkürzung von Monitoring and Steering of Cartilage Production (Beobachtung und Steuerung der Produktion von Knorpel)

Bioreaktoren zur Knorpelproduktion wurden bereits am BBZ in der Gruppe von Prof. Augustinus Bader entwickelt und patentiert. Innerhalb des keimdicht verschlossenen Innenraumes dieser Reaktoren können durch ein externes Magnetfeld die Druckverhältnisse verändert werden, was einer Belastung des Knorpels im sich bewegenden Gelenk gleichkommt. Das Neuland auf das sich die Leipziger Forscher jetzt begeben, ist folglich weniger die Möglichkeit der Knorpelherstellung als die Automatisierung der Abläufe. Und die wiederum verlangt nach stetiger Kontrolle. Um diese zu garantieren „belauschen“ die Forscher die Stammzellen beim Wachsen. Sie nutzen dazu ein ebenfalls in Leipzig entwickeltes akustisches Mikroskop, das Schallwellen statt Lichtwellen zur Bildgebung nutzt.

Doch nicht nur Menschen denen Knorpelgewebe implantiert werden soll, können vom Bioreaktor profitieren, hofft Schulz: „An dem aus den Stammzellen erzeugten Gewebe kann auch die ganz spezifische Reaktion desselben auf ein Medikament getestet werden, sozusagen stellvertretend für den Patienten und ohne Risiko.“

Für Patienten, die schon jetzt an Knie- oder Hüftgelenksschmerzen leiden, lohnt jedoch das Warten auf den maßgeschneiderten Knorpel-„Flicken“ aus eigenen Stammzellen kaum, denn noch wird Basisarbeit geleistet. „In den drei Jahren, in denen das neue Projekt läuft, wollen wir erreichen, dass unsere Bioreaktoren routinierte Abläufe beherrschen“, erläutert Prof. Löffler den ungefähren Zeitplan. „Der nächste Schritt werden Großtierstudien mit Schafen sein, deren Kniegelenke den menschlichen sehr ähnlich sind. Das dürfte dann weitere drei Jahre in Anspruch nehmen. Und erst danach, also frühestens in sechs Jahren, beginnen die ersten Studien am menschlichen Patienten.“

Weitere Informationen:
Dr. Jörg Galle
Telefon: 0341 97-16674
E-Mail: galle@izbi.uni-leipzig.de