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Gelenkknorpelschäden: Hilfe aus dem Drucker

24.01.2013
Knorpeldefekte heilen: Das ist das Ziel eines neuen internationalen Forschungsverbunds. Implantate, die ähnlich wie das natürliche Gewebe aufgebaut sind, sollen Schäden im Gelenk dauerhaft reparieren. Die EU finanziert das Projekt mit fast zehn Millionen Euro; koordiniert wird es von Würzburg aus.

Wenn Jürgen Groll die Eigenschaften von Knorpel aufzählt, ist die Bewunderung kaum zu überhören. „Knorpel ist im Prinzip ein Hightech-Komposit“, sagt er. Was für den Laien nach einer einheitlich weißlichen Substanz aussieht, erweist sich bei genauer Betrachtung als raffiniertes Schichtwerk unterschiedlicher Strukturen.


Ein mehrschichtiges Implantat: So könnte der Knorpelersatz aussehen, den die Wissenschaftler des Forschungsverbunds HydroZONES entwickeln wollen.
Grafik HydroZONES


Ein mehrschichtiges Implantat: So könnte der Knorpelersatz aussehen, den die Wissenschaftler des Forschungsverbunds HydroZONES entwickeln wollen.

„Beispielsweise sind die Kollagenfasern in der Knorpelschicht, die dem Knochen anliegt, senkrecht orientiert und sorgen somit für eine feste Verbindung“, erklärt Groll. In höheren Schichten liegen die Fasern hingegen quer und können damit besonders gut Scherkräfte absorbieren.

Knorpel: ein ganz besonderes Material

Tiefere Schichten ähneln einem Gel, das stark negativ geladen ist. Auf diese Weise zieht es massiv Wasser an. Wasser, das wieder entweicht, wenn Druck auf das Gewebe ausgeübt wird, beispielsweise beim Laufen auf das Knie. Damit dämpft Knorpel die Erschütterung. Sinkt der Druck, kehrt das Wasser von alleine wieder zurück.

Ganz besonders fasziniert ist Groll von den Eigenschaften der Knorpeloberfläche. Damit Bewegungen im wahrsten Sinne des Wortes möglichst reibungslos verlaufen, ist Knorpel dort „so glitschig, wie man es technisch nicht erreichen kann“, sagt er. Der Reibungskoeffizient erreiche dort einen Wert „ähnlich wie Wasser auf Eis.“

Kurz: „Es gibt kein anderes Material, das über die Eigenschaften von Knorpel verfügt“, sagt Groll. Jürgen Groll hat seit August 2010 an der Universität Würzburg den Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe in der Medizin und der Zahnheilkunde inne. Er forscht dort an neuen Materialien, die am Patienten zum Einsatz kommen sollen. Seit Anfang dieses Jahres leitet er einen neuen, europaweiten Forschungsverbund, in dessen Mittelpunkt Knorpelgewebe steht.

„HydroZONES“: So lautet der Name des Forschungsverbunds. Neben der Universität und dem Universitätsklinikum Würzburg sind Forschungseinrichtungen und Firmen aus Heidelberg, Dresden, Aachen, München, Oxford, Utrecht, Groningen, Pamplona und dem portugiesischen Leiria daran beteiligt. Und auch eine Gruppe aus Australien ist mit im Boot. Mit 9,75 Millionen Euro wird die EU die Arbeit der Wissenschaftler in den kommenden fünf Jahren finanzieren. Etwas mehr als zwei Millionen davon werden nach Würzburg fließen.

Knorpelschäden – ein Volksleiden

Knorpelschäden sind eine der Hauptursachen für chronische Schmerzen, eingeschränkte Beweglichkeit und einem Verlust an Lebensqualität. Arthrose ist die häufigste aller Gelenkerkrankungen. Weltweit sollen mehr als 151 Millionen Menschen davon betroffen sein; in Deutschland leiden mehr als fünf Millionen Menschen daran. Sportverletzungen können die Ursache sein, aber genauso auch ein normaler Altersverschleiß. Am Anfang steht häufig nur ein kleiner Defekt, der weiter wächst, weil der Körper nicht in der Lage ist, Knorpelgewebe selbst neu zu bilden. Ist die Knorpelschicht großflächig zerstört, ist ein operativer Eingriff in der Regel unumgänglich. In schweren Fällen bleibt dann der Einsatz eines künstlichen Gelenks einzige Alternative.

Das könnte sich ändern, wenn der Forschungsverbund sein Ziel erreicht. „Wir verfolgen die Hypothese, dass es mit speziell konstruierten Implantaten möglich ist, den Körper dazu zu bringen, Knorpeldefekte mit eigenem Gewebe wieder zu schließen“, erklärt Groll. Der Trick dabei: Die Wissenschaftler wollen Implantate entwickeln, die in ihrem mehrschichtigen Aufbau möglichst exakt dem Vorbild aus der Natur entsprechen.

Regenerieren statt reparieren

Mehrere Lagen eines Hydrogels, stabilisierende Lagen aus Kunststoffgeweben und dazu Botenstoffe, die spezielle Zellen anlocken, oder die entsprechenden Zellen gleich selbst: So könnte der Knorpelersatz aussehen. Aufgabe des Implantats ist es, das körpereigene Gewebe zum Wachsen zu bringen: „Regenerieren statt reparieren“, lautet nach Grolls Worten das Motto. Und weil der Knorpel dazu von allein nicht in der Lage ist, müsse man ihm eben helfen. Das Implantat selbst soll vom Körper im Laufe der Zeit in dem Maße abgebaut werden, in dem dieser neues Knorpelgewebe selbst aufbaut.

Zwar gibt es auch heute schon Implantate, mit denen Mediziner defekte Knorpelstellen ausbessern können. Die sind aber nicht dazu fähig, natürlichen Gelenkknorpel mit all seinen Eigenschaften in vergleichbarer Weise zu ersetzen. Und das Ersatzgewebe, das durch die derzeit in der Klinik verwendeten Materialien induziert wird, hält dem Einsatz an hoch belasteten Stellen wie beispielsweise dem Knie nicht für lange Zeit stand. Der Grund dafür liegt nach Ansicht der an dem Forschungsverbund beteiligten Wissenschaftler auf der Hand: Weil diese Implantate nicht wie natürlicher Knorpel in Schichten aufgebaut sind, können sie auch nicht die Bildung echten Knorpelgewebes induzieren.

Produktion im Drucker

Die Technik für die Produktion der Implantate ist vom Prinzip her einfach: Wie bei einem Tintenstrahldrucker bauen kleine Biofabriken die künstlichen Knorpelscheiben Schicht für Schicht auf. Mit dem Unterschied, dass die Druckköpfe in diesem Fall nicht Tinte enthalten, sondern je nachdem, welche Schicht gerade aufgetragen wird, Hydrogele unterschiedlicher Dichte, Wachstumsfaktoren, Hormone, Knorpel bildende Zellen – Chondrozyten genannt – und anderes mehr. Der ganze Prozess soll vollautomatisch ablaufen und natürlich unter sterilen Bedingungen.

Das hört sich einfach an, ist aber gerade wegen der gewünschten Automatisierung und der zwingend erforderlichen Sterilität eine große, interdisziplinäre Herausforderung, wie Jürgen Groll sagt. Auch deshalb ist der Forschungsverbund mit 17 Partnern, die teilweise aus mehreren Gruppen zusammengesetzt sind, so groß. „Eine solche Herausforderung kann man nur in einem großen europäischen Konsortium mit vielen Experten aus unterschiedlichen Fachgebieten bewältigen“, sagt Groll.

Die Würzburger Beteiligten

Würzburg ist sowohl mit der Universität als auch dem Universitätsklinikum in das Forschungsprojekt eingebunden. Jürgen Groll ist der Experte für das Trägermaterial. Er kennt sich aus mit Hydrogelen, Kunststoffgeweben und deren Eigenschaften. Heike Walles, Professorin und Inhaberin des Lehrstuhls für Tissue Engineering und regenerative Medizin, hat langjährige Erfahrung mit der automatisierten Herstellung von Biomaterialien. In ihrem Labor züchtet sie schon seit Längerem Leber, Haut und andere Gewebe. Thorsten Blunk hat seit gut drei Jahren an der Würzburger Universitätsklinik die Professur für experimentelle Unfallchirurgie inne. Dort forscht er unter anderem am Tissue Engineering von Knorpelgewebe. Aus klinischer Sicht begleiten Professor Maximilian Rudert, Inhaber des Lehrstuhls für Orthopädie und Leiter der Orthopädischen Klinik König-Ludwig-Haus, sowie Professor Ulrich Nöth, Leiter der experimentellen Orthopädie am König-Ludwig Haus, das Projekt. Beiden sind die Anwendungsorientierung der Forschung und die Nähe zum Patienten besondere Anliegen.

Das Ziel

„Wenn alles optimal läuft, haben wir in fünf Jahren ein Konstrukt, das in klinische Tests gehen kann“, beschreibt Jürgen Groll das Ziel des Forschungsverbunds. Wenn dort keine Probleme auftauchen, dauere es noch einmal mindestens fünf Jahre, bis ein Implantat existiert, das tatsächlich in der Klinik am Patienten zum Einsatz kommen kann, schätzt der Wissenschaftler. Aber auch wenn dies hochgesteckte Ziel nicht erreicht wird, werde die Arbeit nicht umsonst gewesen sein. Dafür unterteilen die Forscher ihr Projekt in mehrere Arbeitsschritte mit zunehmendem Komplexitätsgrad. Verbesserungen an den bereits heute existierenden Verfahren werde es somit auf jeden Fall geben, ist sich Groll sicher. Wie weit diese Verbesserungen gehen, müssen die kommenden Jahre zeigen.

Kontakt

Prof. Dr. Jürgen Groll, T: (0931) 201-73510;
E-Mail: juergen.groll@fmz.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

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