Knorpel wächst im Knie nicht nach. Im Labor aber schon. Würzburger Wissenschaftler stellen neues Gewebe für Transplantationen her. Man nehme Zellen aus der Nase und mache daraus welche fürs Knie. Was ein bisschen nach Frankenstein klingt, testet das EU Forschungsprojekt Bio-Chip gerade an über 100 Patienten. Der Würzburger Part dabei: Im Translationszentrum des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung erzeugen Dr. Oliver Pullig und sein Team aus den Zellen der Nase das Implantat fürs Knie. Das sechs Millimeter Durchmesser große Stückchen Nasenknorpel ist am Vortag in Basel ambulant einen Menschen mit einer Knieknorpelverletzung entnommen worden. Ein Bote hat es über Nacht nach Würzburg gefahren. In zweieinhalb Wochen wird ein drei mal vier Zentimeter großes Implantat zurück nach Basel geschickt. „Das ist dann das fünfzehnte, berichtet Privatdozent Pullig. Die ersten Knie-Ersatzteile haben Würzburg Mitte 2017 verlassen. Rund fünf Millionen Euro investiert die EU in das Projekt „Biotechnologisch erzeugte Implantate zur Knorpelheilung bei Patienten“. Beteiligt sind daran Forschungseinrichtungen in Basel, Freiburg, Mailand, Zagreb und Würzburg. Im Reinraumlabor der Kinderklinik des Würzburger Universitätsklinikums zerkleinert Tanja Kraus das stecknadelkopfgroße Knorpelstückchen vorsichtig mit dem Skalpell. Sie arbeitet im „Allerheiligsten“ des gesamten Prozesses, zu dem nur eine Handvoll Mitarbeiter Zugang haben. Den „Hochsicherheitstrakt“ betritt man in sterilen Gewändern, mit Mund- und Haarschutz. „Mit Schnupfen darf hier keiner rein“, erzählt die Biologisch-Technische Assistentin. Grund der strengen Hygienevorschriften: Was jetzt in der Petrischale isoliert, gewaschen und dann per Pipette in die winzige Vertiefungen einer Mikrotiterplatte verteilt wird, wächst in den nächsten Tagen zum Transplantat heran. Dieses wird dann in das Knie des Menschen eingepflanzt, dem der Nasenknorpel entnommen wurden. Jede fremde Zelle, jeder Erreger der sich jetzt unter diese Zellen mischen würde, könnte deren Wachstum stören. Oder – noch schlimmer – den fertigen, neuen „Ersatzknorpel“ verunreinigen, so dass es später im Knie zu schweren Entzündungsreaktionen kommen würde. „Für die bestmögliche Patientensicherheit müssen wir die gleichen strengen Qualitätsrichtlinien wie ein Pharmaunternehmen erfüllen. Das gilt für die Produktion im Reinraumlabor ebenso wie für die bis ins kleinste Detail definierte Abläufe des gesamten Verfahrens und den hohen Dokumentationsaufwand“, erklärt der Biologie Pullig. Da er bereits andere medizinische Forschungsprojekte geleitet hat, ist ihm dieses Thema nicht fremd. Aber: „Dieses Mal sind wir natürlich sehr nah am Patienten.“ Als nächster Schritt im Reinraumlabor kommt das Enzym Kollagenase zum Einsatz. Es löst im zerkleinerten Gewebe die Matrix auf, in der Zellen eingebettet sind. Anschließend werden diese gewaschen und per Pipette tröpfchenweise in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte gesetzt. Jetzt geht es in den Brutschrank. Bei 37 Grad teilen sich die Zellen. „Wie schnell sie das tun, ist je nach Patienten unterschiedlich“, weiß Assistentin Kraus. Knorpel ist ein Wunderwerk des Körpers. Das Stützgewebe ist elastisch und fest zugleich. Beim Treppe steigen muss das Kniegelenk eine 80 Kilogramm schweren Menschen 280 Kilogramm Gewicht aushalten. Sein reibungsloses Funktionieren garantiert der Knorpel zwischen den Knochen. Die Knorpelzellen sind in die Matrix eingebettet, die hauptsächlich aus Wasser, gequollenen Zuckereiweißen und kollagenen Fasern besteht. Sie verleihen dem Knorpel die typische Robustheit gegen Zug- und Scherkräfte und gleichzeitig die Geschmeidigkeit eines Miniaturwasserbetts: Bei Belastung entweicht Wasser ins Gelenk, bei Entlastung strömt es wieder zurück. Zwei weitere wichtige Eigenschaften hat Knorpel: Ihn Durchziehen keine Nerven, Beschädigungen spürt man deshalb lange nicht – selbst wenn sich Gewebepartikel zu lösen und gefährlich zu scheuern beginnen. Erst wenn sich die etwa sechs Millimeter dicke Knorpelschicht im Knie soweit abgebaut hat, dass die Schleimhaut anschwillt, meldet sich der Schmerz. Dann ist die Arthrose (Gelenkverschleiß) aber schon sehr weit fortgeschritten. Außerdem fließt kein Blut durch den Knorpel. Seine Zellen werden nur langsam durch Diffusion versorgt. Rasche Zellerneuerung, zu der zum Beispiel die Haut fähig ist, kann Knorpelgewebe nicht. Im Labor ist das möglich. Etwa eine Woche nach der Biopsie sind die Zellen im Brutschrank so gut gewachsen, dass sie umgesiedelt werden können. Tanja Kraus verteilt sie vorsichtig auf vier Plastikflaschen. Diese sind mit einer Nährlösung gefüllt, die mit Wachstumsfaktoren und dem Serum des Patienten angereichert wurde. Dieses wässrige Medium versorgt die Zellen mit allem was sie brauchen, um sich weiter zu teilen. Der Aufwand Knorpelgewebe außerhalb des Körpers zu züchten ist also groß, aber gleichzeitig eine große Chance. Denn Knorpelschäden sind eine Volkskrankheit. So gibt die Apotheken Umschau an, dass die Kniegelenke von rund zu fünf Millionen Deutsche geschädigt sind. „Unsere Zielgruppe sind aber keine Patienten mit Arthrose, sondern Patienten mit örtlich begrenzten, klar umrissenen Knorpeldefekten, wie sie nach Unfällen oder Sportverletzungen auftreten“, stellt Biologe Pullig klar. Denn nur bei diesen sei noch genug gesundes Knorpelgewebe vorhanden, um das gezüchtete Gewebe auch dauerhaft am Patientenknorpel zu befestigen. „Bei fortgeschrittener Arthrose geht das leider nicht, da zu wenig Knorpelschicht da ist.“ Im Reinraumlabor löst Tanja Kraus nach einer Woche die Zellen mit dem Enzym Trypsin vom Boden der Flaschen. Dann kommt ein winziges Tröpfchen auf einen speziellen Objektträger. Dieser ist in genormte Volumina unterteilt, die sogenannten Zählkammern. Unter dem Lichtmikroskop zählen zwei Mitarbeiterinnen wie viele lebende Zellen in dieser Kammer sind und rechnen mit diesem Wert die Anzahl der vermehrten Zellen aus. „Wenn wir 50 Millionen haben, ist das eine gute Ausgangslage“, erklärt Laborfachfrau Kraus. Bislang sei das bei allen Proben gelungen. „In der Regel haben wir sogar mehr als die nötigen 50 Millionen“. „Die Knorpelzellen aus der Nase sind denen des Knies sehr ähnlich“, erläutert Pullig. „Sie sind mechanisch belastbar und sie lassen sich auch bei älteren Patienten besonders gut vermehren.“ Außerdem erfolgt der Schnitt in die Nase ambulant und das ohnehin schon angegriffene Knie des Patienten muss nicht verletzt werden. Und der dritte Vorteil: Die vermehrten Nasenzellen bilden in vitro, außerhalb des Organismus, Knorpelgewebe aus. Das ist der nächste Schritt im Reinraumlabor. Die rund 50 Millionen Knorpelzellen werden auf ein drei mal vier Zentimeter große Stück Membran aus Schweine-Collagen gegeben. Diese Strukturproteine bauen die menschlichen Zellen um, indem sie eigene knorpeltypische Proteine erzeugen, die bald die Membran durchziehen. In der klinischen Studie werden zwei Varianten verwendet: In einer lässt man die Knorpelzellen zwei Tage auf der Membran reifen, in der anderen zwei Wochen. „Ein Ziel der Studie ist, den Einfluss des Reifegrades auf die klinische Wirksamkeit zu untersuchen. Sollte die zweitägige Laborreifung für einen Therapieerfolg ausreichend sein, würde diese Beschleunigung helfen, das bislang noch sehr teure Herstellungsverfahren günstiger zu machen“, erläutert Pullig. Ebenso werden viele andere Faktoren des Prozesses – wie zum Beispiel Alter oder Körpergewicht der Patienten – untersucht. Die Zellen aus Basel reiften dieses Mal nur zwei Tag und zweieinhalb Wochen nach der Ankunft ist das Transplantat fertig. Die Endkontrolle hat stattgefunden, die Transportbox ist gekühlt, der Bote wartet im Auto. Währenddessen die veränderten Nasenzellen über die Autobahn zurück in die Schweiz fahren, begibt sich in Basel der Patient wieder ins Krankenhaus. Am Morgen wird ein Ärzteteam das Knie des Patienten öffnen und das gezüchtete Gewebe implantieren. 35 Knieverletzte haben bislang ein aus Nasenknorpel hergestelltes Transplantat eingepflanzt bekommen – Probleme gab es bislang keine. Doch erst am Ende der vierjährigen Studie wird man wissen, ob die in Würzburg hergestellten neuartigen Gewebe Knorpelverletzungen tatsächlich heilen.Foto: Foto: Thomas Obermeier
Knorpel wächst im Knie nicht nach. Im Labor aber schon. Würzburger Wissenschaftler stellen neues Gewebe für Transplantationen her.
Man nehme Zellen aus der Nase und mache daraus welche fürs Knie. Was ein bisschen nach Frankenstein klingt, testet das EU Forschungsprojekt Bio-Chip gerade an über 100 Patienten. Der Würzburger Part dabei: Im Translationszentrum des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung erzeugen Dr. Oliver Pullig und sein Team aus den Zellen der Nase das Implantat fürs Knie.
Fünf Millionen Euro für EU-Forschungsprojekt
Das sechs Millimeter Durchmesser große Stückchen Nasenknorpel ist am Vortag in Basel ambulant einen Menschen mit einer Knieknorpelverletzung entnommen worden. Ein Bote hat es über Nacht nach Würzburg gefahren. In zweieinhalb Wochen wird ein drei mal vier Zentimeter großes Implantat zurück nach Basel geschickt. „Das ist dann das fünfzehnte, berichtet Privatdozent Pullig. Die ersten Knie-Ersatzteile haben Würzburg Mitte 2017 verlassen.
Rund fünf Millionen Euro investiert die EU in das Projekt „Biotechnologisch erzeugte Implantate zur Knorpelheilung bei Patienten“. Beteiligt sind daran Forschungseinrichtungen in Basel, Freiburg, Mailand, Zagreb und Würzburg.
Im Reinraumlabor der Kinderklinik des Würzburger Universitätsklinikums zerkleinert Tanja Kraus das stecknadelkopfgroße Knorpelstückchen vorsichtig mit dem Skalpell. Sie arbeitet im „Allerheiligsten“ des gesamten Prozesses, zu dem nur eine Handvoll Mitarbeiter Zugang haben. Den „Hochsicherheitstrakt“ betritt man in sterilen Gewändern, mit Mund- und Haarschutz. „Mit Schnupfen darf hier keiner rein“, erzählt die Biologisch-Technische Assistentin.
Strenge Qualitätsrichtlinien
Grund der strengen Hygienevorschriften: Was jetzt in der Petrischale isoliert, gewaschen und dann per Pipette in die winzige Vertiefungen einer Mikrotiterplatte verteilt wird, wächst in den nächsten Tagen zum Transplantat heran. Dieses wird dann in das Knie des Menschen eingepflanzt, dem der Nasenknorpel entnommen wurden.
Knorpel wächst im Knie nicht nach. Im Labor aber schon. Würzburger Wissenschaftler stellen neues Gewebe für Transplantationen her. Man nehme Zellen aus der Nase und mache daraus welche fürs Knie. Was ein bisschen nach Frankenstein klingt, testet das EU Forschungsprojekt Bio-Chip gerade an über 100 Patienten. Der Würzburger Part dabei: Im Translationszentrum des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung erzeugen Dr. Oliver Pullig und sein Team aus den Zellen der Nase das Implantat fürs Knie. Das sechs Millimeter Durchmesser große Stückchen Nasenknorpel ist am Vortag in Basel ambulant einen Menschen mit einer Knieknorpelverletzung entnommen worden. Ein Bote hat es über Nacht nach Würzburg gefahren. In zweieinhalb Wochen wird ein drei mal vier Zentimeter großes Implantat zurück nach Basel geschickt. „Das ist dann das fünfzehnte, berichtet Privatdozent Pullig. Die ersten Knie-Ersatzteile haben Würzburg Mitte 2017 verlassen. Rund fünf Millionen Euro investiert die EU in das Projekt „Biotechnologisch erzeugte Implantate zur Knorpelheilung bei Patienten“. Beteiligt sind daran Forschungseinrichtungen in Basel, Freiburg, Mailand, Zagreb und Würzburg. Im Reinraumlabor der Kinderklinik des Würzburger Universitätsklinikums zerkleinert Tanja Kraus das stecknadelkopfgroße Knorpelstückchen vorsichtig mit dem Skalpell. Sie arbeitet im „Allerheiligsten“ des gesamten Prozesses, zu dem nur eine Handvoll Mitarbeiter Zugang haben. Den „Hochsicherheitstrakt“ betritt man in sterilen Gewändern, mit Mund- und Haarschutz. „Mit Schnupfen darf hier keiner rein“, erzählt die Biologisch-Technische Assistentin. Grund der strengen Hygienevorschriften: Was jetzt in der Petrischale isoliert, gewaschen und dann per Pipette in die winzige Vertiefungen einer Mikrotiterplatte verteilt wird, wächst in den nächsten Tagen zum Transplantat heran. Dieses wird dann in das Knie des Menschen eingepflanzt, dem der Nasenknorpel entnommen wurden. Jede fremde Zelle, jeder Erreger der sich jetzt unter diese Zellen mischen würde, könnte deren Wachstum stören. Oder – noch schlimmer – den fertigen, neuen „Ersatzknorpel“ verunreinigen, so dass es später im Knie zu schweren Entzündungsreaktionen kommen würde. „Für die bestmögliche Patientensicherheit müssen wir die gleichen strengen Qualitätsrichtlinien wie ein Pharmaunternehmen erfüllen. Das gilt für die Produktion im Reinraumlabor ebenso wie für die bis ins kleinste Detail definierte Abläufe des gesamten Verfahrens und den hohen Dokumentationsaufwand“, erklärt der Biologie Pullig. Da er bereits andere medizinische Forschungsprojekte geleitet hat, ist ihm dieses Thema nicht fremd. Aber: „Dieses Mal sind wir natürlich sehr nah am Patienten.“ Als nächster Schritt im Reinraumlabor kommt das Enzym Kollagenase zum Einsatz. Es löst im zerkleinerten Gewebe die Matrix auf, in der Zellen eingebettet sind. Anschließend werden diese gewaschen und per Pipette tröpfchenweise in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte gesetzt. Jetzt geht es in den Brutschrank. Bei 37 Grad teilen sich die Zellen. „Wie schnell sie das tun, ist je nach Patienten unterschiedlich“, weiß Assistentin Kraus. Knorpel ist ein Wunderwerk des Körpers. Das Stützgewebe ist elastisch und fest zugleich. Beim Treppe steigen muss das Kniegelenk eine 80 Kilogramm schweren Menschen 280 Kilogramm Gewicht aushalten. Sein reibungsloses Funktionieren garantiert der Knorpel zwischen den Knochen. Die Knorpelzellen sind in die Matrix eingebettet, die hauptsächlich aus Wasser, gequollenen Zuckereiweißen und kollagenen Fasern besteht. Sie verleihen dem Knorpel die typische Robustheit gegen Zug- und Scherkräfte und gleichzeitig die Geschmeidigkeit eines Miniaturwasserbetts: Bei Belastung entweicht Wasser ins Gelenk, bei Entlastung strömt es wieder zurück. Zwei weitere wichtige Eigenschaften hat Knorpel: Ihn Durchziehen keine Nerven, Beschädigungen spürt man deshalb lange nicht – selbst wenn sich Gewebepartikel zu lösen und gefährlich zu scheuern beginnen. Erst wenn sich die etwa sechs Millimeter dicke Knorpelschicht im Knie soweit abgebaut hat, dass die Schleimhaut anschwillt, meldet sich der Schmerz. Dann ist die Arthrose (Gelenkverschleiß) aber schon sehr weit fortgeschritten. Außerdem fließt kein Blut durch den Knorpel. Seine Zellen werden nur langsam durch Diffusion versorgt. Rasche Zellerneuerung, zu der zum Beispiel die Haut fähig ist, kann Knorpelgewebe nicht. Im Labor ist das möglich. Etwa eine Woche nach der Biopsie sind die Zellen im Brutschrank so gut gewachsen, dass sie umgesiedelt werden können. Tanja Kraus verteilt sie vorsichtig auf vier Plastikflaschen. Diese sind mit einer Nährlösung gefüllt, die mit Wachstumsfaktoren und dem Serum des Patienten angereichert wurde. Dieses wässrige Medium versorgt die Zellen mit allem was sie brauchen, um sich weiter zu teilen. Der Aufwand Knorpelgewebe außerhalb des Körpers zu züchten ist also groß, aber gleichzeitig eine große Chance. Denn Knorpelschäden sind eine Volkskrankheit. So gibt die Apotheken Umschau an, dass die Kniegelenke von rund zu fünf Millionen Deutsche geschädigt sind. „Unsere Zielgruppe sind aber keine Patienten mit Arthrose, sondern Patienten mit örtlich begrenzten, klar umrissenen Knorpeldefekten, wie sie nach Unfällen oder Sportverletzungen auftreten“, stellt Biologe Pullig klar. Denn nur bei diesen sei noch genug gesundes Knorpelgewebe vorhanden, um das gezüchtete Gewebe auch dauerhaft am Patientenknorpel zu befestigen. „Bei fortgeschrittener Arthrose geht das leider nicht, da zu wenig Knorpelschicht da ist.“ Im Reinraumlabor löst Tanja Kraus nach einer Woche die Zellen mit dem Enzym Trypsin vom Boden der Flaschen. Dann kommt ein winziges Tröpfchen auf einen speziellen Objektträger. Dieser ist in genormte Volumina unterteilt, die sogenannten Zählkammern. Unter dem Lichtmikroskop zählen zwei Mitarbeiterinnen wie viele lebende Zellen in dieser Kammer sind und rechnen mit diesem Wert die Anzahl der vermehrten Zellen aus. „Wenn wir 50 Millionen haben, ist das eine gute Ausgangslage“, erklärt Laborfachfrau Kraus. Bislang sei das bei allen Proben gelungen. „In der Regel haben wir sogar mehr als die nötigen 50 Millionen“. „Die Knorpelzellen aus der Nase sind denen des Knies sehr ähnlich“, erläutert Pullig. „Sie sind mechanisch belastbar und sie lassen sich auch bei älteren Patienten besonders gut vermehren.“ Außerdem erfolgt der Schnitt in die Nase ambulant und das ohnehin schon angegriffene Knie des Patienten muss nicht verletzt werden. Und der dritte Vorteil: Die vermehrten Nasenzellen bilden in vitro, außerhalb des Organismus, Knorpelgewebe aus. Das ist der nächste Schritt im Reinraumlabor. Die rund 50 Millionen Knorpelzellen werden auf ein drei mal vier Zentimeter große Stück Membran aus Schweine-Collagen gegeben. Diese Strukturproteine bauen die menschlichen Zellen um, indem sie eigene knorpeltypische Proteine erzeugen, die bald die Membran durchziehen. In der klinischen Studie werden zwei Varianten verwendet: In einer lässt man die Knorpelzellen zwei Tage auf der Membran reifen, in der anderen zwei Wochen. „Ein Ziel der Studie ist, den Einfluss des Reifegrades auf die klinische Wirksamkeit zu untersuchen. Sollte die zweitägige Laborreifung für einen Therapieerfolg ausreichend sein, würde diese Beschleunigung helfen, das bislang noch sehr teure Herstellungsverfahren günstiger zu machen“, erläutert Pullig. Ebenso werden viele andere Faktoren des Prozesses – wie zum Beispiel Alter oder Körpergewicht der Patienten – untersucht. Die Zellen aus Basel reiften dieses Mal nur zwei Tag und zweieinhalb Wochen nach der Ankunft ist das Transplantat fertig. Die Endkontrolle hat stattgefunden, die Transportbox ist gekühlt, der Bote wartet im Auto. Währenddessen die veränderten Nasenzellen über die Autobahn zurück in die Schweiz fahren, begibt sich in Basel der Patient wieder ins Krankenhaus. Am Morgen wird ein Ärzteteam das Knie des Patienten öffnen und das gezüchtete Gewebe implantieren. 35 Knieverletzte haben bislang ein aus Nasenknorpel hergestelltes Transplantat eingepflanzt bekommen – Probleme gab es bislang keine. Doch erst am Ende der vierjährigen Studie wird man wissen, ob die in Würzburg hergestellten neuartigen Gewebe Knorpelverletzungen tatsächlich heilen.
Jede fremde Zelle, jeder Erreger der sich jetzt unter diese Zellen mischen würde, könnte deren Wachstum stören. Oder – noch schlimmer – den fertigen, neuen „Ersatzknorpel“ verunreinigen, so dass es später im Knie zu schweren Entzündungsreaktionen kommen würde.
„Für die bestmögliche Patientensicherheit müssen wir die gleichen strengen Qualitätsrichtlinien wie ein Pharmaunternehmen erfüllen. Das gilt für die Produktion im Reinraumlabor ebenso wie für die bis ins kleinste Detail definierte Abläufe des gesamten Verfahrens und den hohen Dokumentationsaufwand“, erklärt der Biologie Pullig. Da er bereits andere medizinische Forschungsprojekte geleitet hat, ist ihm dieses Thema nicht fremd. Aber: „Dieses Mal sind wir natürlich sehr nah am Patienten.“
Vermehrung im Brutschrank
Als nächster Schritt im Reinraumlabor kommt das Enzym Kollagenase zum Einsatz. Es löst im zerkleinerten Gewebe die Matrix auf, in der Zellen eingebettet sind. Anschließend werden diese gewaschen und per Pipette tröpfchenweise in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte gesetzt. Jetzt geht es in den Brutschrank. Bei 37 Grad teilen sich die Zellen. „Wie schnell sie das tun, ist je nach Patienten unterschiedlich“, weiß Assistentin Kraus.
Knorpel ist ein Wunderwerk des Körpers. Das Stützgewebe ist elastisch und fest zugleich. Beim Treppe steigen muss das Kniegelenk eine 80 Kilogramm schweren Menschen 280 Kilogramm Gewicht aushalten. Sein reibungsloses Funktionieren garantiert der Knorpel zwischen den Knochen. Die Knorpelzellen sind in die Matrix eingebettet, die hauptsächlich aus Wasser, gequollenen Zuckereiweißen und kollagenen Fasern besteht. Sie verleihen dem Knorpel die typische Robustheit gegen Zug- und Scherkräfte und gleichzeitig die Geschmeidigkeit eines Miniaturwasserbetts: Bei Belastung entweicht Wasser ins Gelenk, bei Entlastung strömt es wieder zurück.
Zwei weitere wichtige Eigenschaften hat Knorpel: Ihn Durchziehen keine Nerven, Beschädigungen spürt man deshalb lange nicht – selbst wenn sich Gewebepartikel zu lösen und gefährlich zu scheuern beginnen. Erst wenn sich die etwa sechs Millimeter dicke Knorpelschicht im Knie soweit abgebaut hat, dass die Schleimhaut anschwillt, meldet sich der Schmerz. Dann ist die Arthrose (Gelenkverschleiß) aber schon sehr weit fortgeschritten.
Außerdem fließt kein Blut durch den Knorpel. Seine Zellen werden nur langsam durch Diffusion versorgt. Rasche Zellerneuerung, zu der zum Beispiel die Haut fähig ist, kann Knorpelgewebe nicht.
Knorpelschäden sind eine Volkskrankheit
Im Labor ist das möglich. Etwa eine Woche nach der Biopsie sind die Zellen im Brutschrank so gut gewachsen, dass sie umgesiedelt werden können. Tanja Kraus verteilt sie vorsichtig auf vier Plastikflaschen. Diese sind mit einer Nährlösung gefüllt, die mit Wachstumsfaktoren und dem Serum des Patienten angereichert wurde. Dieses wässrige Medium versorgt die Zellen mit allem was sie brauchen, um sich weiter zu teilen.
Knorpel wächst im Knie nicht nach. Im Labor aber schon. Würzburger Wissenschaftler stellen neues Gewebe für Transplantationen her. Man nehme Zellen aus der Nase und mache daraus welche fürs Knie. Was ein bisschen nach Frankenstein klingt, testet das EU Forschungsprojekt Bio-Chip gerade an über 100 Patienten. Der Würzburger Part dabei: Im Translationszentrum des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung erzeugen Dr. Oliver Pullig und sein Team aus den Zellen der Nase das Implantat fürs Knie. Das sechs Millimeter Durchmesser große Stückchen Nasenknorpel ist am Vortag in Basel ambulant einen Menschen mit einer Knieknorpelverletzung entnommen worden. Ein Bote hat es über Nacht nach Würzburg gefahren. In zweieinhalb Wochen wird ein drei mal vier Zentimeter großes Implantat zurück nach Basel geschickt. „Das ist dann das fünfzehnte, berichtet Privatdozent Pullig. Die ersten Knie-Ersatzteile haben Würzburg Mitte 2017 verlassen. Rund fünf Millionen Euro investiert die EU in das Projekt „Biotechnologisch erzeugte Implantate zur Knorpelheilung bei Patienten“. Beteiligt sind daran Forschungseinrichtungen in Basel, Freiburg, Mailand, Zagreb und Würzburg. Im Reinraumlabor der Kinderklinik des Würzburger Universitätsklinikums zerkleinert Tanja Kraus das stecknadelkopfgroße Knorpelstückchen vorsichtig mit dem Skalpell. Sie arbeitet im „Allerheiligsten“ des gesamten Prozesses, zu dem nur eine Handvoll Mitarbeiter Zugang haben. Den „Hochsicherheitstrakt“ betritt man in sterilen Gewändern, mit Mund- und Haarschutz. „Mit Schnupfen darf hier keiner rein“, erzählt die Biologisch-Technische Assistentin. Grund der strengen Hygienevorschriften: Was jetzt in der Petrischale isoliert, gewaschen und dann per Pipette in die winzige Vertiefungen einer Mikrotiterplatte verteilt wird, wächst in den nächsten Tagen zum Transplantat heran. Dieses wird dann in das Knie des Menschen eingepflanzt, dem der Nasenknorpel entnommen wurden. Jede fremde Zelle, jeder Erreger der sich jetzt unter diese Zellen mischen würde, könnte deren Wachstum stören. Oder – noch schlimmer – den fertigen, neuen „Ersatzknorpel“ verunreinigen, so dass es später im Knie zu schweren Entzündungsreaktionen kommen würde. „Für die bestmögliche Patientensicherheit müssen wir die gleichen strengen Qualitätsrichtlinien wie ein Pharmaunternehmen erfüllen. Das gilt für die Produktion im Reinraumlabor ebenso wie für die bis ins kleinste Detail definierte Abläufe des gesamten Verfahrens und den hohen Dokumentationsaufwand“, erklärt der Biologie Pullig. Da er bereits andere medizinische Forschungsprojekte geleitet hat, ist ihm dieses Thema nicht fremd. Aber: „Dieses Mal sind wir natürlich sehr nah am Patienten.“ Als nächster Schritt im Reinraumlabor kommt das Enzym Kollagenase zum Einsatz. Es löst im zerkleinerten Gewebe die Matrix auf, in der Zellen eingebettet sind. Anschließend werden diese gewaschen und per Pipette tröpfchenweise in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte gesetzt. Jetzt geht es in den Brutschrank. Bei 37 Grad teilen sich die Zellen. „Wie schnell sie das tun, ist je nach Patienten unterschiedlich“, weiß Assistentin Kraus. Knorpel ist ein Wunderwerk des Körpers. Das Stützgewebe ist elastisch und fest zugleich. Beim Treppe steigen muss das Kniegelenk eine 80 Kilogramm schweren Menschen 280 Kilogramm Gewicht aushalten. Sein reibungsloses Funktionieren garantiert der Knorpel zwischen den Knochen. Die Knorpelzellen sind in die Matrix eingebettet, die hauptsächlich aus Wasser, gequollenen Zuckereiweißen und kollagenen Fasern besteht. Sie verleihen dem Knorpel die typische Robustheit gegen Zug- und Scherkräfte und gleichzeitig die Geschmeidigkeit eines Miniaturwasserbetts: Bei Belastung entweicht Wasser ins Gelenk, bei Entlastung strömt es wieder zurück. Zwei weitere wichtige Eigenschaften hat Knorpel: Ihn Durchziehen keine Nerven, Beschädigungen spürt man deshalb lange nicht – selbst wenn sich Gewebepartikel zu lösen und gefährlich zu scheuern beginnen. Erst wenn sich die etwa sechs Millimeter dicke Knorpelschicht im Knie soweit abgebaut hat, dass die Schleimhaut anschwillt, meldet sich der Schmerz. Dann ist die Arthrose (Gelenkverschleiß) aber schon sehr weit fortgeschritten. Außerdem fließt kein Blut durch den Knorpel. Seine Zellen werden nur langsam durch Diffusion versorgt. Rasche Zellerneuerung, zu der zum Beispiel die Haut fähig ist, kann Knorpelgewebe nicht. Im Labor ist das möglich. Etwa eine Woche nach der Biopsie sind die Zellen im Brutschrank so gut gewachsen, dass sie umgesiedelt werden können. Tanja Kraus verteilt sie vorsichtig auf vier Plastikflaschen. Diese sind mit einer Nährlösung gefüllt, die mit Wachstumsfaktoren und dem Serum des Patienten angereichert wurde. Dieses wässrige Medium versorgt die Zellen mit allem was sie brauchen, um sich weiter zu teilen. Der Aufwand Knorpelgewebe außerhalb des Körpers zu züchten ist also groß, aber gleichzeitig eine große Chance. Denn Knorpelschäden sind eine Volkskrankheit. So gibt die Apotheken Umschau an, dass die Kniegelenke von rund zu fünf Millionen Deutsche geschädigt sind. „Unsere Zielgruppe sind aber keine Patienten mit Arthrose, sondern Patienten mit örtlich begrenzten, klar umrissenen Knorpeldefekten, wie sie nach Unfällen oder Sportverletzungen auftreten“, stellt Biologe Pullig klar. Denn nur bei diesen sei noch genug gesundes Knorpelgewebe vorhanden, um das gezüchtete Gewebe auch dauerhaft am Patientenknorpel zu befestigen. „Bei fortgeschrittener Arthrose geht das leider nicht, da zu wenig Knorpelschicht da ist.“ Im Reinraumlabor löst Tanja Kraus nach einer Woche die Zellen mit dem Enzym Trypsin vom Boden der Flaschen. Dann kommt ein winziges Tröpfchen auf einen speziellen Objektträger. Dieser ist in genormte Volumina unterteilt, die sogenannten Zählkammern. Unter dem Lichtmikroskop zählen zwei Mitarbeiterinnen wie viele lebende Zellen in dieser Kammer sind und rechnen mit diesem Wert die Anzahl der vermehrten Zellen aus. „Wenn wir 50 Millionen haben, ist das eine gute Ausgangslage“, erklärt Laborfachfrau Kraus. Bislang sei das bei allen Proben gelungen. „In der Regel haben wir sogar mehr als die nötigen 50 Millionen“. „Die Knorpelzellen aus der Nase sind denen des Knies sehr ähnlich“, erläutert Pullig. „Sie sind mechanisch belastbar und sie lassen sich auch bei älteren Patienten besonders gut vermehren.“ Außerdem erfolgt der Schnitt in die Nase ambulant und das ohnehin schon angegriffene Knie des Patienten muss nicht verletzt werden. Und der dritte Vorteil: Die vermehrten Nasenzellen bilden in vitro, außerhalb des Organismus, Knorpelgewebe aus. Das ist der nächste Schritt im Reinraumlabor. Die rund 50 Millionen Knorpelzellen werden auf ein drei mal vier Zentimeter große Stück Membran aus Schweine-Collagen gegeben. Diese Strukturproteine bauen die menschlichen Zellen um, indem sie eigene knorpeltypische Proteine erzeugen, die bald die Membran durchziehen. In der klinischen Studie werden zwei Varianten verwendet: In einer lässt man die Knorpelzellen zwei Tage auf der Membran reifen, in der anderen zwei Wochen. „Ein Ziel der Studie ist, den Einfluss des Reifegrades auf die klinische Wirksamkeit zu untersuchen. Sollte die zweitägige Laborreifung für einen Therapieerfolg ausreichend sein, würde diese Beschleunigung helfen, das bislang noch sehr teure Herstellungsverfahren günstiger zu machen“, erläutert Pullig. Ebenso werden viele andere Faktoren des Prozesses – wie zum Beispiel Alter oder Körpergewicht der Patienten – untersucht. Die Zellen aus Basel reiften dieses Mal nur zwei Tag und zweieinhalb Wochen nach der Ankunft ist das Transplantat fertig. Die Endkontrolle hat stattgefunden, die Transportbox ist gekühlt, der Bote wartet im Auto. Währenddessen die veränderten Nasenzellen über die Autobahn zurück in die Schweiz fahren, begibt sich in Basel der Patient wieder ins Krankenhaus. Am Morgen wird ein Ärzteteam das Knie des Patienten öffnen und das gezüchtete Gewebe implantieren. 35 Knieverletzte haben bislang ein aus Nasenknorpel hergestelltes Transplantat eingepflanzt bekommen – Probleme gab es bislang keine. Doch erst am Ende der vierjährigen Studie wird man wissen, ob die in Würzburg hergestellten neuartigen Gewebe Knorpelverletzungen tatsächlich heilen.
Der Aufwand Knorpelgewebe außerhalb des Körpers zu züchten ist also groß, aber gleichzeitig eine große Chance. Denn Knorpelschäden sind eine Volkskrankheit. So gibt die Apotheken Umschau an, dass die Kniegelenke von rund zu fünf Millionen Deutsche geschädigt sind.
„Unsere Zielgruppe sind aber keine Patienten mit Arthrose, sondern Patienten mit örtlich begrenzten, klar umrissenen Knorpeldefekten, wie sie nach Unfällen oder Sportverletzungen auftreten“, stellt Biologe Pullig klar. Denn nur bei diesen sei noch genug gesundes Knorpelgewebe vorhanden, um das gezüchtete Gewebe auch dauerhaft am Patientenknorpel zu befestigen. „Bei fortgeschrittener Arthrose geht das leider nicht, da zu wenig Knorpelschicht da ist.“
Zählen unter dem Mikroskop
Im Reinraumlabor löst Tanja Kraus nach einer Woche die Zellen mit dem Enzym Trypsin vom Boden der Flaschen. Dann kommt ein winziges Tröpfchen auf einen speziellen Objektträger. Dieser ist in genormte Volumina unterteilt, die sogenannten Zählkammern. Unter dem Lichtmikroskop zählen zwei Mitarbeiterinnen wie viele lebende Zellen in dieser Kammer sind und rechnen mit diesem Wert die Anzahl der vermehrten Zellen aus. „Wenn wir 50 Millionen haben, ist das eine gute Ausgangslage“, erklärt Laborfachfrau Kraus. Bislang sei das bei allen Proben gelungen. „In der Regel haben wir sogar mehr als die nötigen 50 Millionen“.
„Die Knorpelzellen aus der Nase sind denen des Knies sehr ähnlich“, erläutert Pullig. „Sie sind mechanisch belastbar und sie lassen sich auch bei älteren Patienten besonders gut vermehren.“ Außerdem erfolgt der Schnitt in die Nase ambulant und das ohnehin schon angegriffene Knie des Patienten muss nicht verletzt werden. Und der dritte Vorteil: Die vermehrten Nasenzellen bilden in vitro, außerhalb des Organismus, Knorpelgewebe aus.
Neues Gewebe entsteht
Das ist der nächste Schritt im Reinraumlabor. Die rund 50 Millionen Knorpelzellen werden auf ein drei mal vier Zentimeter große Stück Membran aus Schweine-Collagen gegeben. Diese Strukturproteine bauen die menschlichen Zellen um, indem sie eigene knorpeltypische Proteine erzeugen, die bald die Membran durchziehen.
In der klinischen Studie werden zwei Varianten verwendet: In einer lässt man die Knorpelzellen zwei Tage auf der Membran reifen, in der anderen zwei Wochen. „Ein Ziel der Studie ist, den Einfluss des Reifegrades auf die klinische Wirksamkeit zu untersuchen. Sollte die zweitägige Laborreifung für einen Therapieerfolg ausreichend sein, würde diese Beschleunigung helfen, das bislang noch sehr teure Herstellungsverfahren günstiger zu machen“, erläutert Pullig.
Ebenso werden viele andere Faktoren des Prozesses – wie zum Beispiel Alter oder Körpergewicht der Patienten – untersucht.
Zweieinhalb Wochen später
Die Zellen aus Basel reiften dieses Mal nur zwei Tag und zweieinhalb Wochen nach der Ankunft ist das Transplantat fertig. Die Endkontrolle hat stattgefunden, die Transportbox ist gekühlt, der Bote wartet im Auto.
Währenddessen die veränderten Nasenzellen über die Autobahn zurück in die Schweiz fahren, begibt sich in Basel der Patient wieder ins Krankenhaus. Am Morgen wird ein Ärzteteam das Knie des Patienten öffnen und das gezüchtete Gewebe implantieren.
35 Knieverletzte haben bislang ein aus Nasenknorpel hergestelltes Transplantat eingepflanzt bekommen – Probleme gab es bislang keine. Doch erst am Ende der vierjährigen Studie wird man wissen, ob die in Würzburg hergestellten neuartigen Gewebe Knorpelverletzungen tatsächlich heilen.
