Antirutsch-Implantate für Luftröhren

Wenn Herzkranzgefäße verengt sind, dehnen Kardiologen sie mithilfe von kleinen gitterförmigen Stützen, um einem Herzinfarkt vorzubeugen. Die Gitterröhrchen – Experten nennen sie Stents – stabilisieren die Venen und Arterien, verbessern den Blutfluss und verhindern einen Gefäßverschluss.

Weniger bekannt ist, dass sich krankhafte Verengungen der Luftröhre ebenfalls mit Stents behandeln lassen. Solche Atemwegsstenosen, deren Ursache Tumore, chronische Entzündungen, aber auch angeborene Fehlbildungen sind, können lebensbedrohlich sein. Die Gitterstützen aus Metall oder Kunststoff sollen die Luftröhre dehnen und das Zuwachsen der Trachea vermeiden.

Doch beim Einsetzen der Implantate kann es zu Komplikationen kommen: Zum einen besteht die Gefahr, dass die Stents verrutschen und dadurch einen teilweisen oder vollständigen Verschluss der Luftwege verursachen. Zum anderen ist es möglich, dass sich auf den Gitterröhren Bakterien ansiedeln, die beispielsweise eine Lungenentzündung auslösen können. Der Grund: Auf den Stents befinden sich keine barrierebildenden Atemwegszellen, wie sie üblicherweise im Atemwegstrakt vorhanden sind, um Krankheitserreger und inhalierte Stoffe wie Feinstaub abzuwehren. »Die Luftröhre hat eine wichtige Barrierefunktion. Zilien tragende Zellen und Becherzellen reinigen die Atemluft. Daher ist es so wichtig, dass diese Art von Zellen auf den Stents haften können, um so die Reinigungsfunktion des geschädigten Luftröhrenabschnitts aufrecht zu erhalten und gleichzeitig ein Einwachsen der Gitterröhrchen in das umgebende Trachea-Gewebe zu begünstigen«, sagt Dr. Martina Hampel, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart.

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Thorsten Walles, Bereichsleiter der Thoraxchirurgie an der Universitätsklinik Würzburg und Gastwissenschaftler am IGB, haben die Forscherin und ihr Team im Projekt »REGiNA« Oberflächenbeschichtungen entwickelt, die das Einwachsen der Stents in das umgebende Gewebe ermöglichen und so ein Verrutschen der Gitterröhrchen erschweren sollen. »REGiNA«, kurz für Regenerative Medizin in der Gesundheitsregion Neckar-Alb und Stuttgart, wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert.

Bioaktive Beschichtungen verringern Patientenrisiko
Für die Beschichtungen verwendeten die Wissenschaftler mit einer Polyurethan-Folie (PU) ausgekleidete Stents von der Leufen Medical GmbH aus Aachen. In den anschließenden Tests wurde die PU-Folie mit unterschiedlichsten Beschichtungen ausgestattet: Neben synthetischen Polymeren aus organischen Säuren setzten die Forscher auf biologische Proteine wie Fibronektin und Kollagen Typ 1. Eine weitere Oberflächenmodifikation erfolgte mithilfe von Plasmatechnik, bei der ein im Vakuum ionisiertes Gas die Oberfläche verändert. Zur Kontrolle nutzten die Experten eine unbehandelte PU-Folie. »Um festzustellen, welche der Beschichtungen sich am besten eignet, haben wir sowohl im Labor gezüchtete Zelllinien als auch menschliche primäre Trachea-Epithelzellen in Zellkulturgefäßen mit den Folien zusammengeführt. Gewünscht war natürlich, dass die primären, direkt aus einem Gewebe gewonnenen Atemwegszellen anwachsen«, erläutert Hampel.

Die besten Ergebnisse erzielten die Forscher mit den proteinbeschichteten Folien. Hier konnten die primären Trachea-Epithelzellen besonders gut anwachsen und sich vermehren. »Die Atemwegszellen erwiesen sich auf den bioaktiven Folien als vitaler als auf den plasmabehandelten. Als völlig unbrauchbar stellten sich hingegen die polymerbeschichteten Folien heraus«, sagt die Wissenschaftlerin.

Die Labortests sind mittlerweile abgeschlossen, die Tierversuche sind in Vorbereitung. Bestätigen sich diese guten Laborergebnisse, so ist in der zum Robert-Bosch-Krankenhaus gehörenden Lungenfachklinik Schillerhöhe in einem weiteren Schritt die klinische Prüfung der modifizierten Stents geplant. »Wir hoffen, dass sich unsere gut verträglichen, zellfreundlichen Oberflächenbeschichtungen in wenigen Jahren auch für andere biomedizinische Prothesen wie Herzschrittmachersonden, Zahn- oder Gelenkimplantate nutzen lassen«, resümiert Hampel.