Dreidimensionale Matrix für Knorpel, Sehnen und Bänder

Das Biotechnologieunternehmen Ars Arthro AG erhält 1,6 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Mit der Förderung aus dem BioProfile-Programm wird die Herstellung von Ligamenten, also Bändern und Sehnen, sowie die Entwicklung großflächiger Gelenkknorpeltransplantate auf der Basis autologer, nicht gesunder Zellen unterstützt. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart und die BioTeSys GmbH aus Esslingen. Das BMBF finanziert das Projekt zu 60 Prozent, die übrigen Kosten übernimmt Ars Arthro. An dem Projekt, das auf drei Jahre angelegt ist, sind auch mehrere deutsche Spezialkliniken beteiligt.

Die Kreuzbänder von Skifahrern sind besonders gefährdet, etwa wenn sich bei einem Sturz das Knie verdreht. Ist das Kreuzband gerissen, fehlt ein wesentlicher Stabilisator des Kniegelenks. Das Bein muss dann wochenlang geschient werden; unter Umständen wird sogar eine Operation notwendig, bei der an anderer Stelle eine Sehne entnommen und als neues Kreuzband angenäht wird. Die Herstellung von Bändern und Sehnen, die perfekten Ersatz bieten – und damit die Entnahme an anderer Stelle überflüssig macht -, ist nicht nur für Sportler von großer Bedeutung.

Das auf Tissue Engineering spezialisierte Esslinger Biotechnologieunternehmen Ars Arthro AG, das bereits seit Jahren zur erfolgreichen Behandlung von Knorpelschäden mit Transplantaten beiträgt, arbeitet nun im Rahmen eines BMBF-Projektes an der Herstellung von Ligamenten. Dabei wird eine aus einem relativ weichen Kollagen und einer Armierungssubstanz bestehende Matrix mit autologen, d.h. körpereigenen, Zellen besiedelt. Das entstehende neue Kreuzband kann dem Patienten ohne Gefahr von Abstoßungsreaktionen eingesetzt werden.

Neben der Entwicklung von Ligamenten wird das Projekt auch die Herstellung von großflächigen Gelenkknorpeltransplantaten aus nicht gesunden Zellen zum Ziel haben. Bisher können nach dem so genannten CaReS-Konzept (Cartilage Regeneration Systems) Defekte bis zu einer Größe von höchstens zehn Quadratzentimetern behandelt werden. Dabei werden den Patienten Knorpelzellen aus dem beschädigten Gelenk entnommen, die dann in eine Kollagenmatrix eingebracht werden. Diese geliert bei Raumtemperatur innerhalb von 25 Minuten und wird anschließend etwa zwei Wochen lang kultiviert. Das entstehende Transplantat ist form- und druckstabil und wird operativ mit Fibrinkleber im Knorpel fixiert. Seit dem Jahr 2002 sind auf diese Weise mehr als 500 Patienten behandelt worden. Gegenüber herkömmlichen Methoden konnte die Dauer des – wesentlich kleineren – Eingriffs halbiert werden.

Größere Defekte konnten bisher nicht entsprechend behandelt werden, da häufig nur geschädigte Zellen zur Verfügung stehen. „Wenn der Defekt zu groß ist, kann es ohne weiteres sein, dass die gesamte Knorpelfläche betroffen ist; die Frage, die wir beantworten wollen, lautet: Wie kann man aus diesen nicht idealen Zellen optimale Zellen machen?“, beschreibt der Forschungsvorstand Dr. Thomas Graeve von Ars Arthro die Aufgabenstellung des BMBF-Projektes. Unterstützung holt er sich bei der BioTeSys GmbH, die wie auch Ars Arthro, ihren Sitz im Life Science Center Esslingen hat. BioTeSys kümmert sich hauptsächlich um die Herstellung und Analyse großflächiger Transplantate und arbeitet an Lösungen, wie diese am Randbereich zu armieren und zu fixieren sind.

Das Fraunhofer IGB wird vor allem an der Herstellung von Ligamenten arbeiten. Das Institut kann auf umfangreiche Erfahrungen mit dreidimensionalen Hautmodellen verweisen und wird FACS-Analysen (Fluorescent Activated Cell Sorter) durchführen sowie Funktionen von Zellen und Differenzierungsstadien von Zellen untersuchen. „In das interdisziplinäre Gebiet des Tissue Engineerings fließen unsere Kompetenzen aus dem Bereich der Zellbiologie ein“, sagt Institutsleiter Professor Herwig Brunner, der das Fraunhofer IGB konsequent zum Spezialisten für derart komplexe Problemlösungen entwickelt hat. „Das Know-how in den Materialwissenschaften für die Entwicklung biokompatibler Materialien sowie für die Entwicklung biomimetischer Grenzflächen kommt uns hier zugute. Unser ausgeprägtes Netzwerk, insbesondere die vielfältigen Kooperationen mit wissenschaftlichen Instituten, klinischen Einrichtungen und externen Dienstleistern, prädestiniert uns als Mediator von der Präklinik zur Klinik.“ Es sind Netzwerkstrukturen wie diese, die BioRegio STERN-Geschäftsführer Dr. Klaus Eichenberg mit besonderem Nachdruck fördert: „Wo es darum geht, Schlüsseltechnologien wie die Regenerationsbiologie zum Wohle der Patienten so schnell wie möglich einzusetzen, sind gute Verbindungen zwischen Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Kliniken existenziell.“

Das Ausgangsmaterial für alle hier genannten Transplantate ist ein spezielles Kollagen. Kollagen ist bei Säugetieren das Material mit dem höchsten Proteinanteil, es ist vor allem in Knorpeln, Knochen, Sehnen sowie Haut enthalten und unentbehrlich für ein stabiles Binde- und Stützgewebe. Für die Verwendung bei Ars Arthro wird es in einem selbst entwickelten patentierten Verfahren aus Rattenschwänzen gewonnen. „Wir können die Tiere unter definierten Reinraumbedingungen züchten, was bei anderen Tieren nicht möglich ist“, erklärt Dr. Thomas Graeve. „Das hochreine Ratten-Kollagen ist hervorragend für unsere Transplantate geeignet, deshalb werden wir es selbstverständlich auch für das neue Forschungsprojekt verwenden.“ Einzigartig und patentiert ist auch die dreidimensionale Matrix, die das Fraunhofer IGB für Ars Arthro entwickelt hat: Das Kollagen wird in einer Pufferlösung mit einer Zellsuspension, die frisch aus dem Knorpel isoliert wurde, vermischt. Die Zellen verteilen sich dabei homogen im Transplantat. Da die Zellen keine Chance haben zu sedimentieren, bilden sie ein festes Konstrukt, das nach zwei Wochen Kultivierung an den kooperierenden Arzt verschickt wird.

Die Kosten für ein Knorpeltransplantat liegen bei rund 3.900 Euro; zusammen mit den Operationskosten beläuft sich der Gesamtaufwand für die Behandlung auf rund 7.000 Euro. Einige Krankenkassen übernehmen bereits einen Teil dieser Kosten. Noch sind Sportverletzungen und Unfälle die typische Indikation, doch Dr. Thomas Graeve denkt längst weiter – etwa an die Therapie der Arthrose: „Noch immer können wir keine Arthrose heilen, weil diese den Knorpel angreift und keinen Unterschied zwischen gesundem Knorpel und Transplantaten macht; das neue Forschungsprojekt befasst sich gerade auch mit der Behandlung von Verschleißerscheinungen. Wir gehen davon aus, dass wir in vier bis fünf Jahren die ersten Arthrosepatienten versorgen können.“