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Sonntag, 25.09.2016
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Neuer Meniskus dank Stammzellen

Modell aus dem 3D-Drucker dient als Vorlage für körpereigenes, neues Knorpelgewebe

Neue Stoßdämpfer für das Knie: Nach einer Knieverletzung haben US-Mediziner einen neuen Meniskus wachsen lassen. Anstatt nur in einer riskanten Operation beschädigtes Gewebe zu entfernen, locken die Forscher mit einem 3D-Modell des Meniskus Stammzellen ins Kniegelenk, wie sie im Fachmagazin "Science Translational Medicine" beschreiben. Im Tierexperiment mit Schafen entstand dabei bereits in sechs Wochen ein gesunder Meniskus – der Einsatz am Menschen soll bald folgen.
Meniskus eines Schafs (links), Computermodell (Mitte) und gedrucktes 3D-Modell (rechts)

Meniskus eines Schafs (links), Computermodell (Mitte) und gedrucktes 3D-Modell (rechts)

Das Knie kommt nicht ohne Stoßdämpfer aus: Die Menisken sind halbmondförmige Knorpelpolster, die zwischen den Knochen des Kniegelenks liegen und dieses polstern und stabilisieren. Diese Polster sind jedoch empfindlich, und wenn ein Meniskus etwa durch eine Sportverletzung Schaden nimmt, drohen Probleme.

"Kleinere Risse kann man wieder zusammennähen, aber größere Schäden müssen chirurgisch entfernt werden", sagt Jeremy Mao von der Universitätsklinik der Columbia University. Verletzte oder gar abgerissene Teile des Meniskus zu entfernen, verringert den Schmerz und lässt das gereizte Knie wieder abschwellen. Allerdings fehlt danach auch der natürliche Stoßdämpfer zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein – dadurch scheuert das Gelenk, und das Risiko einer Arthrose steigt beträchtlich.

Grundgerüst aus dem 3D-Drucker


Es gibt bereits Ansätze, einen beschädigten Meniskus zu ersetzen. Chirurgen transplantieren dazu entweder Knorpelgewebe aus anderen Körperteilen oder sie verwenden Spendergewebe. Allerdings ist diese Methode bislang wenig erfolgreich und außerdem riskant. Mao und seine Kollegen gehen darum einen Schritt weiter: Sie wollen den Körper dazu bringen, selbst einen neuen Meniskus wachsen zu lassen. Im Tierversuch an Schafen hatten sie damit bereits Erfolg – und das Knie des Schafes ist dem des Menschen sehr ähnlich.


Die Wissenschaftler erstellten dabei zunächst mit Hilfe von MRI-Scans im Computer ein genaues und individuelles 3D-Modell des Meniskus. Mit einem 3D-Drucker produzierten sie dann dieses Modell als Grundgerüst, in der genauen Form des Meniskus. Als Material verwendeten sie ein Polymer namens Polycaprolacton, das im Körper mit der Zeit abgebaut wird und auch für chirurgische Nähte dient.

Auf dem Modell nachgewachsenes Meniskusgewebe beim Schaf (rechts) im Vergleich mit der Kontrolle ohne Wachstumsfaktoren (links).

Auf dem Modell nachgewachsenes Meniskusgewebe beim Schaf (rechts) im Vergleich mit der Kontrolle ohne Wachstumsfaktoren (links).

Starthilfe für Stammzellen


Vor dem Einsetzen in das Kniegelenk versetzten die Forscher diese Meniskus-Vorlage mit zwei wichtigen Proteinen, den Wachstumsfaktoren CTGF und TGFβ3. Mao und sein Team fanden heraus, dass diese Proteine Stammzellen anlocken und dazu verleiten, neues Meniskusgewebe zu bilden.

Damit daraus tatsächlich ein gesunder Meniskus wächst, müssen die jeweiligen Wachstumsfaktoren jedoch zur genau richtigen Zeit am genau richtigen Ort wirken. Dazu verpackten die Forscher die Proteine in winzige Polymer-Kügelchen, die sich nach der Operation langsam auflösen. Dadurch setzen sie zuerst CTGF frei, welches das Wachstum des äußeren Meniskus einleitet. Darauf folgt TGFβ3 für den Aufbau des inneren Meniskus.

Neuer Meniskus nach sechs Wochen


Die Schafe, an denen die Wissenschaftler diese Technik testeten, konnten nach rund sechs Wochen wieder normal laufen: Das implantierte Gerüst löste sich auf, stattdessen war ein neuer Meniskus gewachsen. Folgeuntersuchungen zeigten, dass der regenerierte Meniskus dem natürlichen sowohl in seiner Struktur wie auch den mechanischen Eigenschaften sehr ähnlich war. "Dies ist eine Abkehr von klassischer Geweberegeneration, bei der Stammzellen aus dem Körper isoliert, im Labor manipuliert und dann wieder in den Patienten eingesetzt werden", sagt Mao. "Wir dagegen geben dem Prozess Starthilfe, indem wir Faktoren nutzen, welche die körpereigenen Stammzellen anregen."

Zurzeit untersucht das Team, ob das nachgewachsene Gewebe auch langfristig stabil ist. Klinische Studien am Menschen sollen so bald wie möglich folgen: Nach Vorstellung von Mao lässt sich das Meniskusgerüst in wenigen Tage maßgeschneidert für Patienten anfertigen und innerhalb einer Woche zur Operation an die behandelnde Klinik schicken. (Science Translational Medicine, 2014; doi: 10.1126/scitranslmed.3009696)
(Columbia University Medical Center, 12.12.2014 - AKR)
 
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