Neues Biomaterial regeneriert hyalinen Knorpel bei Schafen

Der Körper kann viele Schäden erstaunlich gut selbst beheben, doch einige Bestandteile unserer Anatomie erholen sich nach Verletzungen nur schwer.

Dazu zählt Knorpel – ein schwammartiges, zugleich festes Bindegewebe, das verhindert, dass Knochen in den Gelenken aneinander reiben oder gegeneinanderschlagen. Mit der Zeit können die durchscheinenden beziehungsweise „hyalinen“ Knorpelanteile stark geschädigt werden. Die Folge können schmerzhafte Erkrankungen wie Arthrose und Chondromalazie sein.

Forschende arbeiten seit Jahren daran, hyalinen Knorpel wiederherzustellen. Nun gelang einem von der Northwestern University in den USA geleiteten Team ein wichtiger Fortschritt: Es entwickelte ein Biomaterial, das nach der Injektion in geschädigten Knorpel lebender Schafe als Gerüst diente und das Knorpelwachstum in belasteten Gelenken förderte.

„Knorpel ist ein entscheidender Bestandteil unserer Gelenke“, sagt der Chemiker Samuel Stupp von der Northwestern University.

„Wenn Knorpel beschädigt wird oder sich im Laufe der Zeit abbaut, kann das die allgemeine Gesundheit und Beweglichkeit von Menschen erheblich beeinträchtigen. Das Problem besteht darin, dass Knorpel bei erwachsenen Menschen nicht von selbst heilen kann. Unsere neue Therapie kann die Reparatur eines Gewebes anstoßen, das sich natürlicherweise nicht regeneriert. Wir glauben, dass unsere Behandlung dazu beitragen könnte, einen erheblichen bislang ungedeckten klinischen Bedarf zu erfüllen.“

Knorpelverschleiß als großes Gesundheitsproblem

Der Abbau von Knorpel ist ein enormes Gesundheitsproblem. Eine Erhebung aus dem Jahr 2011 in 18 Ländern ergab, dass jährlich mehr als 1,3 Millionen vollständige Kniegelenkersatzoperationen durchgeführt werden; Knorpelprobleme sind dabei ein wesentlicher Faktor.

Zwar gibt es weitere Maßnahmen, die helfen können, etwa das Setzen von Mikrofrakturen zur Anregung einer Knorpelreparatur. Häufig wächst dabei jedoch die falsche Knorpelart nach: zäher, faseriger Faserknorpel, der knorpeligem Narbengewebe ähnelt, statt des glatten, elastischen hyalinen Knorpels, der die Gelenkflächen überzieht.

Ein Ansatz, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiterentwickeln, nutzt Gerüste in Knorpeldefekten, um das Wachstum von hyalinem Knorpel zu stützen. Bei kleinen Säugetieren wie Mäusen zeigte diese Methode bereits Potenzial, versagte jedoch bei größeren Säugetieren. Vermutlich liegt das an den höheren Belastungen und Kräften, die auf die Gelenke größerer Tiere einwirken.

Biomaterial für die Regeneration von hyalinem Knorpel

Stupp und sein Team entwickelten ein Material, das dieses offensichtliche Problem offenbar löst. Das Biomaterial besteht aus zwei Komponenten.

Die erste ist ein Peptidmolekül, das an ein Protein namens Transforming Growth Factor Beta-1 bindet. Dieses Protein spielt eine zentrale Rolle beim Wachstum und bei der Teilung von Zellen, insbesondere im Skelett, wo es die Bildung von Knochen und Knorpel reguliert.

Die zweite Komponente ist Hyaluronsäure, die vielen aus Hautpflegeprodukten bekannt sein dürfte: Sie bindet Feuchtigkeit und trägt so dazu bei, die Haut weich zu halten. Darüber hinaus kommt sie in Gelenken und Knorpel vor, wo sie als Gleitmittel wirkt und an der Wundheilung beteiligt ist.

Versuche im Reagenzglas zeigten, dass dieses Hybridmaterial die chondrogene Differenzierung unterstützte – also die Vermehrung von Knorpelzellen, den Chondrozyten. Dabei bildete es Bündel aus Filamenten, eine natürliche Struktur in Geweben des Bewegungsapparats.

Viele Forschungsansätze erreichen im Reagenzglas einen vergleichbaren Stand. Entscheidend war daher, ob das Material auch in einem lebenden Tier funktioniert, dessen Ergebnisse sich auf Menschen übertragen lassen. Da Schafe ähnlich mechanisch belastet werden wie Menschen, führten die Forschenden ihre Tests an Schafen durch.

Test des Biomaterials in Schaf-Kniegelenken

Für den Versuch bereiteten die Forschenden das Material als Suspension auf und injizierten es in Knorpeldefekte der hinteren Kniegelenke von Schafen. Bei jedem Tier erzeugten sie kleine Löcher in beiden hinteren Knien. Ein Knie erhielt die Suspension, während das andere unbehandelt blieb und als Kontrolle diente.

Sobald die Suspension mit dem Kalzium in den Knochen der Schafe in Kontakt kam, verfestigte sie sich zu einer gummiartigen Matrix. Anschließend begannen sich Chondrozyten zu bilden und wuchsen in das erzeugte Loch hinein, während sich das Gerüst abbaute. Zudem entstand die richtige Knorpelart: hyaliner Knorpel. Bereits innerhalb weniger Wochen zeigten die behandelten Defekte eine bemerkenswerte Verbesserung, insbesondere im Vergleich zu den Kontrollgelenken.

Beim Menschen könnte eine ähnliche Behandlung sogar wirksamer sein. Einem Schaf lässt sich nicht erklären, dass es sich schonen und ein verletztes Bein nicht belasten soll. Patientinnen und Patienten werden nach Operationen wegen Knorpelverletzungen dagegen häufig ruhiggestellt.

Natürlich sind weitere Forschung und Entwicklung erforderlich; anschließend muss das Verfahren klinische Studien am Menschen durchlaufen. Die Ergebnisse wecken jedoch Hoffnung, dass künftig eine Behandlung verfügbar sein könnte, die den Bedarf an invasiveren und weniger wirksamen Optionen verringert.

„Indem wir hyalinen Knorpel regenerieren“, sagt Stupp, „sollte unser Ansatz widerstandsfähiger gegen Verschleiß sein, das Problem eingeschränkter Beweglichkeit und Gelenkschmerzen langfristig beheben und zugleich eine Gelenkrekonstruktion mit großen Implantatteilen vermeiden.“

Die Studie wurde in den „Verhandlungen der Nationalen Akademie der Wissenschaften“ veröffentlicht.