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Fortschritte im 3D-Druck eröffnen breite Anwendungen in der Regenerativen Medizin

Tissue Engineering für den Wiederaufbau abgenutzter Knorpel

Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen besiedelten Gerüstes (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT
Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen besiedelten Gerüstes (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT

Forschung

Eine neue internationale Forschungsarbeit widmete sich der Wiederherstellung von Knorpel – eine schwierige Aufgabe, denn Knorpel muss elastisch, aber auch mechanisch belastbar sein. Die Ergebnisse wurden nun in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Forscher untersuchten dafür eine neue Kombination von Mikrofaser-Gerüsten aus dem 3D-Drucker und Hydrogelen. In solchen sogenannten „scaffolds“  können menschliche Knorpelzellen wachsen, so dass neues Knorpelgewebe entsteht.

Die für die Studie untersuchten Materialkombinationen zeigten eine zu Kniegelenks-Knorpelgewebe vergleichbare Elastizität und Steifigkeit. Zudem unterstützten sie das Wachstum und die Vernetzung menschlicher Gewebezellen. Die Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) erwarten, dass sich dieser neue Ansatz auch auf andere Forschungsfelder im Bereich Soft-Tissue Engineering auswirken wird, beispielsweise auf die Rekonstruktion von Brustgewebe und die Herstellung von Herzgewebe.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei eine neue 3-D-Drucktechnik, das sogenannte Melt Electrospinning Writing. Es ermöglicht die Herstellung von Strukturen, die gleichzeitig genügend Raum für Zellwachstum bieten, aber auch die benötigte mechanische Steifigkeit gewährleisten. „Melt Electrospinning Writing bietet mehr Freiheit bei der Gestaltung von Gerüsten und begünstigt  so die Heilung und das Wachstum von neuem Gewebe“, erklärt Prof. Dietmar W. Hutmacher, einer der Hauptautoren der Veröffentlichung. "Sie ermöglicht uns, die Art und Weise, wie die Natur Gelenkknorpel baut, genauer nachzuahmen", erklärt er, „das heißt, wir verstärken ein weiches Gel – Proteoglykane oder, wie in unserem Fall, ein biokompatibles Hydrogel – mit einem Netz aus sehr dünnen Fasern.” Die mit Hilfe von Electrospinning Writing hergestellten Gerüstfasern können bis zu fünf Mikrometer im Durchmesser dünn sein. Gegenüber herkömmlichen Methoden sind die Fasern damit 20-mal dünner.

Prof. Hutmacher forscht an der Queensland University of Technology in Australien und arbeitet derzeit als Hans Fischer Senior Fellow am TUM Institute for Advanced Study. Gastgeber für seine TUM-IAS Focus Group für regenerative Medizin ist TUM Prof. Arndt Schilling, Leiter der Forschungsabteilung für Plastische Chirurgie und Handchirurgie an der Universitätsklinik Klinikum rechts der Isar.

Mehrgleisige Untersuchung einer vielseitigen und innovativen Technologie

An der Arbeit waren Forscher aus Australien, Deutschland, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich beteiligt, so dass für die Untersuchung ein breites Spektrum an Forschungswerkzeugen eingesetzt wurde. Die Hauptarbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung, Herstellung und mechanische Prüfung der Hydrogel-Faserverbundwerkstoffe. Ergänzend wurden Vergleiche mit Kniegelenkknorpel von Pferden, Experimente mit dem Wachstum von menschlichen Knorpelzellen in der künstlichen Matrix und Computersimulationen durchgeführt.

Alle Ergebnisse deuten auf einen – von Prof. Hutmacher noch vorsichtig formulierten – Durchbruch hin. Nachdem die Forscher das Computermodell der Hydrogel-Faserverbundwerkstoffe validiert hatten, nutzen sie es nun, um eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten zu beurteilen. "Das neue Verfahren ist nicht nur für die Reparatur von Gelenken vielversprechend, sondern auch für Anwendungen wie zum Beispiel die Rekonstruktion der Brust nach einer Amputation im Zug einer Krebstherapie oder für die Züchtung von Herzgewebe“, sagt Prof. Hutmacher. "Wir müssen das Gerüst unter den Muskel implantieren und unser neues faserverstärktes Hydrogel könnte sich dabei als entscheidend erweisen für die Regeneration sowohl von großen Mengen an Brustgewebe als auch von biodynamisch stark belasteten Herzklappen.“

Prof. Hutmacher und seine Kollegen an der TU München – Prof. Arndt Schilling, PD. Dr. Jan-Thorsten Schantz, und Dr. Elizabeth Balmayor – planen bereits, die in Nature Communications beschriebene Herangehensweise für ihre Forschungen zu Tissue Engineering von Brustgewebe einzusetzen. Außerdem haben sie zusammen mit der Gruppe von Prof. Stefan Jockenhövel und Dr. Petula Mela an der RWTH Aachen ein Projekt zur Herstellung von Herzklappengewebe begonnen.

Gefördert wurden die Forschungsarbeiten von der Europäischen Kommission (Grant PIOF-GA-282286), dem EU Forschungsrahmenprogramm FP7 (n309962 - HydroZONES), der niederländischen Regierung (NIRM, grant nFES0908), der niederländischen Arthritis Stiftung, und dem Nationalen Forschungsrat für Gesundheitswesen und Medizin in Australien. Das TUM IAS wird unterstützt durch die deutsche Exzellenzinitiative und das EU Forschungsprogramm FP7.

Kontakt
Prof. Dietmar W. Hutmacher
Technische Universität München
TUM Institute for Advanced Study
E:  dietmar.hutmacher(at)qut.edu.au
W: http://www.tum-ias.de

Veröffentlichung

Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres. Jetze Visser, Ferry P.W. Melchels, June E. Jeon, Erik M. van Bussel, Laura S. Kimpton, Helen M. Byrne, Wouter J. A. Dhert, Paul D. Dalton, Dietmar W. Hutmacher, and Jos Malda. Nature Communications, 28 April 2015. DOI: 10.1038/ncomms7933.

Prof. Dietmar Hutmacher forscht an der Queensland University of Technology in Australien und arbeitet derzeit als Hans Fischer Senior Fellow am TUM Institute for Advanced Study. Bild: D. Hutmacher / QUT
Prof. Dietmar Hutmacher forscht an der Queensland University of Technology in Australien und arbeitet derzeit als Hans Fischer Senior Fellow am TUM Institute for Advanced Study. Bild: D. Hutmacher / QUT
Züchtung von menschlichen Knochenzellen auf einem Gerüst (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT
Züchtung von menschlichen Knochenzellen auf einem Gerüst (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT
Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen besiedelten Gerüstes (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT
Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen besiedelten Gerüstes (scaffold). Bild: D. Hutmacher / QUT
Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen und Endothelzellen kultivierten Hydrogel-Faserverbundwerkstoffes. Bild: D. Hutmacher / QUT
Konfokale Lasermikroskopie eines mit menschlichen mesenchymalen Vorläuferzellen und Endothelzellen kultivierten Hydrogel-Faserverbundwerkstoffes. Bild: D. Hutmacher / QUT