Northwestern University regeneriert hyalinen Knorpel mit neuem Biomaterial

Der Körper kann sich selbst erstaunlich gut reparieren, doch einige Bereiche unserer Anatomie erholen sich nach Verletzungen nur schwer.

Ein Beispiel dafür ist Knorpel – das schwammartige, zugleich feste Bindegewebe, das verhindert, dass Knochen aneinander reiben oder gegeneinander stoßen. Mit der Zeit können die durchscheinenden beziehungsweise „hyalinen“ Bestandteile des Knorpels stark abgebaut werden. Die Folge können schmerzhafte Erkrankungen wie Arthrose und Chondromalazie sein.

Hyaliner Knorpel: Warum Schäden schwer heilen

Seit Jahren suchen Forschende nach Möglichkeiten, hyalinen Knorpel wiederherzustellen. Nun hat ein von der Northwestern University in den USA geleitetes Team einen wichtigen Fortschritt erzielt. Es entwickelte ein Biomaterial, das nach einer Injektion in geschädigten Knorpel lebender Schafe als Gerüst fungierte und das Nachwachsen von Knorpel in belasteten Gelenken unterstützte.

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

„Wenn Knorpel geschädigt wird oder sich im Laufe der Zeit abbaut, kann das die allgemeine Gesundheit und Mobilität von Menschen erheblich beeinträchtigen. Das Problem ist, dass Knorpel bei erwachsenen Menschen keine angeborene Fähigkeit zur Heilung besitzt. Unsere neue Therapie kann die Reparatur eines Gewebes auslösen, das sich von Natur aus nicht regeneriert. Wir glauben, dass unsere Behandlung dazu beitragen könnte, einen schwerwiegenden ungedeckten klinischen Bedarf zu decken.“

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, wobei Knorpelschäden ein wesentlicher Faktor sind.

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

Biomaterial der Northwestern University als Knorpelgerüst

Eine Therapieoption, die Forschende weiterentwickeln, besteht darin, Defekte im Knorpel mit Gerüsten zu versorgen, welche das Wachstum von hyalinem Knorpel fördern. Bei kleinen Säugetieren wie Mäusen zeigte dieser Ansatz vielversprechende Ergebnisse, versagte jedoch bei größeren Säugetieren. Vermutlich liegt das an den höheren Belastungen und Kräften, die auf die Gelenke größerer Tiere wirken.

Stupp und seine Kolleginnen und Kollegen entwickelten nun ein Material, das dieses offensichtliche Problem offenbar löst. Das Biomaterial setzt sich aus zwei Komponenten zusammen.

Die erste ist ein Peptidmolekül, das an ein Protein namens Transforming Growth Factor Beta-1 bindet. Dieses Protein ist für Zellwachstum und Zellteilung von großer Bedeutung, insbesondere im Skelett, wo es die Entwicklung von Knochen und Knorpel reguliert.

Die zweite Komponente ist Hyaluronsäure, die vielen aus Hautpflegeprodukten bekannt sein dürfte: Sie hält die Haut weich, indem sie Feuchtigkeit speichert. Hyaluronsäure kommt jedoch auch in Gelenken und Knorpel vor, wo sie als Schmiermittel wirkt und an der Wundheilung beteiligt ist.

In Reagenzglasversuchen stellten die Forschenden fest, dass dieses Hybridmaterial die chondrogene Differenzierung unterstützte – also die Vermehrung von Knorpelzellen, den sogenannten Chondrozyten. Dabei bildete es Bündel aus Filamenten, einer natürlichen Struktur, die in Geweben des Bewegungsapparats vorkommt.

Viele Forschungsansätze haben in vitro einen ähnlichen Stand erreicht. Der entscheidende Test bestand darin, ob das Material auch in einem lebenden Tier funktioniert, dessen Ergebnisse auf Menschen übertragbar sein könnten. Da Schafe einer ähnlichen mechanischen Belastung wie Menschen ausgesetzt sind, wurden die Versuche an ihnen durchgeführt.

Die Forschenden verarbeiteten ihr Material zu einer Aufschlämmung und injizierten sie in Knorpeldefekte der hinteren Kniegelenke von Schafen. Bei jedem Tier der Studie erzeugten sie kleine Löcher in beiden hinteren Knien: Ein Knie erhielt die Aufschlämmung, während das andere unbehandelt blieb und als Kontrolle diente.

Sobald die Aufschlämmung mit dem Kalzium in den Knochen der Schafe in Kontakt kam, härtete sie zu einer gummiartigen Matrix aus. Während sich das Gerüst abbaute, begannen sich Chondrozyten zu bilden und wuchsen nach, bis sie das erzeugte Loch ausfüllten. Zudem handelte es sich um die richtige Knorpelart: hyalinen Knorpel. Bereits innerhalb weniger Wochen zeigten die behandelten Defekte eine bemerkenswerte Verbesserung, besonders im Vergleich zu den Kontrollgelenken.

Eine vergleichbare Behandlung könnte beim Menschen sogar noch wirksamer sein. Einem Schaf lässt sich nicht erklären, dass es sich schonen und ein verletztes Bein nicht belasten soll. Patientinnen und Patienten, die wegen Knorpelverletzungen behandelt werden, werden nach einer Operation dagegen häufig ruhiggestellt.

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

„Durch die Regeneration von hyalinem Knorpel“, sagt Stupp, „sollte unser Ansatz widerstandsfähiger gegen Verschleiß sein, das Problem eingeschränkter Beweglichkeit und Gelenkschmerzen langfristig lösen und zugleich die Notwendigkeit einer Gelenkrekonstruktion mit großen Implantatteilen vermeiden.“

Die Forschungsergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.