Wissen schafft Heilung.

 

Tissue Engineering

Histologie, Pathologie

Tissue Engineering beschreibt die künstliche Konstruktion von Geweben mit dem Ziel, krankes oder verloren gegangenes Gewebe zu ersetzen oder zu regenerieren (wieder herzustellen). Die drei Säulen des Tissue Engineering sind Zellen, Gerüste und Wachstumsfaktoren. Die Zellen vom Patienten selbst (z.B. Stammzellen) werden auf einem 3D-Gerüst gezüchtet und mittels Wachstumsfaktoren in das benötigte Gewebe differenziert. Dieses Tissue Engineering Konstrukt kann dann dem Patienten implantiert werden. Tissue Engineering Produkte gehören zur Gruppe der Arzneimittel für neuartige Therapien. Sie sind ein wichtiger Bestandteil für personalisierte Medizin.

Die Behandlung der durch Frakturen, Tumore oder entzündliche oder altersbedingte Erkrankungen ausgelösten Knochen- und Sehnendefekte ist eine große Herausforderung für den behandelnden Unfallchirurgen. Heute wird, wo dies möglich ist, eine autologe Knochentransplantation (meist wird Knochenmaterial aus dem Becken entnommen) oder Sehnentransplantation vorgenommen. Häufig jedoch reicht dieses Knochenmaterial zum Auffüllen des Defektes (vor allem bei großen Defekten der langen Röhrenknochen) nicht aus. Alternativ zu diesem Ansatz werden seit vielen Jahren tiefgefrorene Knochen von Spendern verpflanzt. Dieser Ansatz ist aber in Hinblick auf mögliche Infektionsrisiken (Hepatitis, AIDS) eher kritisch zu betrachten. In den letzten Jahren sind daher verstärkt alternative Verfahren zur Produktion von Knochenersatzmaterial entwickelt worden. Als Basis werden vielfach Kalziumphosphate eingesetzt. Diese werden z.T. direkt in die Defekte gefüllt (z.B. dentale Defekte). Abhängig vom zu ersetzenden Gewebe müssen die Matrizes sehr unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf ihre mechanische Stabilität, Bioabbaubarkeit, Porosität u.a. aufweisen. Die Matrizes müssen aber in jedem Fall biokompatibel sein und abhängig vom Einsatz eine möglichst steuerbare Abbaubarkeit aufweisen. Vor allem ist auch darauf zu achten, dass mögliche Abbauprodukte keinerlei schädigende Wirkung in vivo (z.B. lokale Entzündungsreaktion) auslösen. Neben diesen organischen Strukturen ist eine vitale Komponente sehr hilfreich. Normalerweise versucht der Körper von innen die künstlichen Matrizes mit Zellen zu benetzen. Ein Ansatz des Tissue Engineering (TE) ist es, ex vivo schon ein Konstrukt von Matrix und Zellen herzustellen. Die Etablierung und Weiterentwicklung von Techniken des TE insbesondere autologen Gewebes und Organen könnte hier mittelfristig eine große Bedeutung insbesondere in der operativen Medizin gewinnen.

Limitierend für die Konstruktion komplexerer Gewebeverbände in vitro mittels TE ist hierbei die ausreichende Vaskularisierung auch tieferer Gewebeschichten, welche von herkömmlichen Matrixtechniken nicht gewährleistet werden kann. Weiterhin konnte gerade auch in jüngster Zeit gezeigt werden, dass neben der geeigneten Matrix und den entsprechenden spezifischen Ausgangszellpopulationen insbesondere bei der Generierung mesenchymaler Strukturen wie Knochen, Bändern und Faszien die Applikation von physiologischem mechanischem Stress auf die TE-Konstrukte (zur Generierung von extrazellulärer Neo-Matrix) essentiell ist. Die Generierung eines vollwertigen Knochens in vitro ist momentan eine der wichtigsten Zielsetzungen der Unfallchirurgie. Die Funktionalisierung eines Knochenkonstruktes ist von einer optimalen Perfusion abhängig, um eine Zellvitalität zu erhalten.

Die zu verwendende Zellpopulation besteht aus Knochenmarkstammzellen (bone marrow stromal cells; BMSC). Das Konstrukt soll an die physiologischen Aufgaben in vivo mittels eines bereits etablierten neuartigen Bioreaktors angepasst werden.

Die Arbeitsgruppe Tissue Engineering versucht die Differenzierung der Knochenmarkszellen mittels Mediumzusätzen zu beschleunigen und dabei die zellulären Abläufe zu beeinflussen. Außerdem spielen physiologische Parameter ebenfalls eine entscheidende Rolle. In diesem Zusammenhang ist dies vor allem eine mechanische Belastung (Zug oder Druck), die mittels eines Mechanobioreaktorsystems dosiert und kontrolliert appliziert werden muss.

Ebenfalls wird ein Trägermaterial für die Konstrukte benötigt, welche für jedes Gewebe optimale biomechanische und biologische Eigenschaften aufweist. Zudem ist die Anbindung an ein Gefäß-/Kapillarnetz unumgänglich. Dementsprechend wird eine primär vaskularisierte Matrix ausgetestet. Die Osteogenese der BMSC in der Matrix kann mittels einer geeigneten mechanischen Dehnung und Differenzierungsmedium möglicherweise erreicht werden. Der Einsatz einer primär vaskularisierten Matrix bietet durch ihr Kapillarnetz die Möglichkeit, den notwendigen Metabolismus auf zellulärer Ebene zu optimieren. Diese Perfusion in Verbindung mit einer physiologisch sinnvollen, mechanischen Stimulierung bildet die Grundlage für das TE von Knochen- und Sehnengewebe.

Diese Vorgänge werden mit molekularbiologischen und biochemischen Techniken überwacht. Für die unterschiedlichen Anwendungen werden diverse Trägermaterialien auf Biokompatibilität und hervorragende Struktureigenschaften für die respektive Anwendung getestet. Hierfür werden zellbiologische, molekularbiologische, biochemische und histologische Techniken angewendet.