Das System funktioniert

Beim TriggerINK-Projekt in Aachen fügen sich die Puzzle­teile für die Knorpel­regeneration der Zukunft zusammen. Die verschiedenen Arbeits­gruppen machen rasche Fort­schritte – in ersten Tests konnte bereits Knorpel­wachstum nachgewiesen werden.

Beschädigtes Knorpel­gewebe wächst nicht von selbst nach. Um nachzu­helfen, arbeiten Forschende am DWI – Leibniz-Institut für Inter­aktive Materialien in Aachen an einer neuartigen Strategie. Im Projekt TriggerINK entwickeln sie eine gelatine­artige Substanz, eine spezielle Biotinte, die künftig mittels eines 3D-Druck-Roboters in beschädigtes Knorpel­gewebe eingebracht werden soll. Die Tinte dient als stützendes Gerüst und Orien­tierung für das nachwach­sende Gewebe und ist mit verschiedenen inno­vativen Elementen versetzt, welche die Regene­ration ermöglichen.

Im vergangenen Jahr haben die Arbeits­gruppen des Projekts diverse Fort­schritte gemacht. Die Gruppe um Projekt­leiterin Laura De Laporte führte weitere Unter­suchungen mit der Biotinte durch. Im Reagenz­glas erprobten die Forschenden die Wirkung der mikroskopisch kleinen, stäbchen­artigen Elemente, die sie in der Tinte mithilfe eines magnetischen Feldes ausrichten können. Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass sich Stamm­zellen in Strukturen, die eine klare räumliche Orientierung vorgeben, besser zu Knorpelzellen entwickeln.

Doch Knorpel­zellen allein machen noch kein funktio­nierendes Knorpel­gewebe. Sie müssen auch Kompo­nenten wie Kollagene oder Proteo­glykane produzieren. Sie sind essen­tielle Bestand­teile der extra­zellulären Knorpel­matrix, in der die Knorpel­zellen verankert sind und die dem Knorpel seine Elasti­zität und Reiss­festigkeit verleiht. Das Team hat es kürzlich geschafft, eine verstärkte Produktion dieser Matrix-Bestand­teile in den ausge­richteten Hydrogel-­Gerüsten nachzuweisen. «Wir zeigen erstmals, dass die räumliche Ausrich­tung unseres Gerüsts zu funktio­nellen Verbesse­rungen führt», sagt Laura De Laporte.

Versuch mit Tierknorpel

In Zusammen­arbeit mit Gerjo van Osch von der Universität Rotterdam führten die Forschen­den zudem erste Tierversuche durch. Dazu ent­nahmen sie aus dem Knie eines toten Rindes eine Knorpel-­Knochen-­Biopsie. In diesen «Pfropf» bohrten sie ein Loch, füllten es mit dem Bio-­Tinte-­Gemisch und transplan­tierten das Ganze einer Labor­maus unter die Haut.

Tatsächlich: Wenn die Forschenden Wachstums­faktoren beigaben, wuchsen aus dem Rinder­knochen Stamm­zellen in die Bio­tinte hinein und es bildete sich Knorpel. Die Knorpel­bildung, so erste Resul­tate, wird durch die ausge­richteten Mikro­gel-Stäb­chen gefördert. «Unser System scheint also zu funktio­nieren», sagt De Laporte. Aller­dings braucht es eine ganze Reihe weiterer Tests. Unter anderem hat das Team dazu ein Labor aufgebaut, in dem sich Knorpel-Knochen-Pfropfen aus Rindern in einem Inkubator ex vivo untersuchen lassen.

Gezielte Freigabe

Dass Wachstums­faktoren entscheidend für die Knorpel­regeneration sind, ist für das TriggerINK-­Team keine Über­raschung. Um das Wachstum zu steuern, planen die Forschen­den, solche Faktoren ganz gezielt freizu­setzen: zuerst einen Wachstums­faktor, der Stamm­zellen aus dem umliegenden Knochen­gewebe an die Behandlungs­stelle lockt; danach einen Differen­zierungs­faktor, der die Stamm­zellen dazu anregt, Knorpel­zellen zu bilden.

An der gezielten Frei­setzung solcher Faktoren arbeitet die Gruppe von Andreas Herrmann. Für die Inte­gration hat das Team inzwischen eine vielver­sprechende Techno­logie entwickelt: ultra­schall­responsive Nano­blumen. Diese blüten­förmigen Nano­strukturen bestehen aus Erbgut­strängen, enthalten eine Protease und werden in die Bio­tinte integriert. In die Nano­blumen werden die durch eine ganz spezielle Amino­säuren­sequenz, ein soge­nanntes Intein, inaktivierten Wachstums­faktoren eingebaut – und zwar so, dass sie sich mittels Ultra­schall wieder aktivieren lassen.

Herausschneiden und verknüpfen

Die Aktivierung funktioniert folgender­massen: Ein Ultra­schall-­Signal schaltet zunächst die Protease an, was dazu führt, dass das Intein sich aus dem Protein heraus­schneidet, sodass von diesem zwei Hälften verbleiben. Danach ist das Intein in der Lage, die beiden Hälften des gewünsch­ten Proteins zu verknüpfen, wodurch das Protein, in diesem Fall der Wachstums­faktor, funktionsfähig wird. «Bei dieser Techno­logie haben wir einen grossen Schritt nach vorne gemacht», erzählt Andreas Herrmann.

Fortschritte vermeldet auch die Arbeits­gruppe von Matthias Wessling. Sie hat den Prototyp eines zwei­armigen 3D-­Druck-­Roboters entwickelt, der dereinst die Biotinte in das beschädigte Knorpel­gewebe bringen soll. Der eine Arm trägt den Druck­kopf und eine Licht­quelle. Mit dem Druck­kopf werden nach­einander Tinten mit verschiedenen Mikro­gel-Partikeln gedruckt. Die Licht­quelle dient dazu, gewisse Mole­küle der Bio­tinte durch Bestrahlung mit einer bestimmten Wellen­länge zu einem gitter­ähnlichen Stütz­gerüst zu verbinden. Der zweite Roboter­arm enthält einen Magnet­ring, um die magnetischen Mikro­gel-Stäbchen mithilfe eines externen Magnet­feldes räumlich auszu­richten, bevor die Tinte durch Licht­einstrahlung ver­netzt und stabili­siert wird.

Es wird zwar noch Zeit brauchen, doch die Knorpel­regeneration der Zukunft rückt näher.