Ein vielseitiger biomimetischer Film für die Beschichtung von Knochenimplantaten
Auf den Gebieten der Orthopädie sowie der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie werden künstliche Knochentransplantate neuerdings als alternative Methode für künstliche Hüften, bei rekonstruierenden Gesichts- oder Kieferoperationen und nach Ausschabungen von Tumoren eingesetzt. Neben ihren mechanischen Eigenschaften demonstrieren künstliche Transplantate auch eine osteokonduktive Fähigkeit: Moleküle wie Wachstumsfaktoren werden in die Konstruktion eingebunden, um nach der Operation die Knochenregeneration zu fördern. Die Transplantate können die Freisetzung dieser bioaktiven Moleküle jedoch nicht steuern, was zu Entzündungen, Infektionen oder abnormaler Knochenheilung führen kann. In manchen Fällen sind die Transplantate strukturell nicht ausreichend, um großflächige Schäden zu korrigieren.
Biomimetischer Film kann Knochen regenerieren
Im Idealfall sollten künstliche Transplantate so aufgebaut sein, dass sie die Umgebung des Knochens in vivo nachahmen und so die räumliche und zeitliche Freisetzung der bioaktiven Moleküle in einer physiologischen Dosierung ermöglichen. Um dieses Problem anzugehen, arbeitete das EU-finanzierte Projekt REGENERBONE an der Entwicklung innovativer medizinischer Implantate mit osteoinduktiven Eigenschaften. Das Projekt baute auf der Technologie auf, die vom EU-finanzierten Projekt BIOMIM entwickelt wurde: biomimetischen Filmen, die an jedem beliebigen Material angebracht werden können. Die biomimetischen Filme, die mithilfe einer Schicht-für-Schicht-Aufbautechnik erstellt werden, enthalten zwei Biopolymere, die in Knorpel- und Knochengeweben weit verbreitet sind: Hyaluronsäure und ein Polymer aus Lysin. Außerdem enthalten sie das knochenmorphogenetische Protein 2, das für die Aktivierung von Vorläuferzellen der Knochen und ihre Differenzierung in Knochenzellen verantwortlich ist. Dieses Protein erhielt die Genehmigung für Knochenreparatur in der Klinik. „Indem wir die Bedingungen des knochenmorphogenetischen Proteins 2 beim Aufladen der Filme kontrollieren, können wir die Dosierung des Proteins, das wir in vivo freisetzen, genau steuern“, betont Hauptforscherin Catherine Picart. Darüber hinaus haben die biomimetischen Filme nanokleine Poren, durch die sie eine kontrollierte Steifigkeit aufweisen und die Freisetzung des knochenmorphogenetischen Proteins 2 nahe an der Oberfläche des Implantats genau steuern können. Die biomimetischen Filme können im Prinzip auf jedem Implantationsmaterial angebracht werden – unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, Geometrie, Form und Größe, z. B. an Keramik, Polymeren und Metallen. „Das ist ein großer Vorteil, da unsere Filme sich damit für alle Arten von künstlichen Transplantaten, die derzeit als künstliche Knochen eingesetzt werden, eignen“, so Picart.
Wirksame Knochenregeneration
Filmbeschichtete Implantate demonstrierten in vivo eine osteoinduktive Eigenschaft, als sie an präklinischen Modellen getestet wurden. Zudem verwendeten Forschende hohle Polymerzylinder, die mit osteoinduktiven Filmen beschichtet waren, um einen Knochenschaden kritischer Größe an den Oberschenkelknochen von Ratten zu reparieren. Wie weitreichend die Reparatur gelang, hing von der Dosierung des knochenmorphogenetischen Proteins 2 ab. Das neu gebildete Gewebe ähnelte der Physiologie des ursprünglichen Knochens. Die Forschungsgruppe von REGENERBONE war auch in der Lage, Kieferschäden bei Großtiermodellen zu reparieren. Diese Schäden entsprechen ihrer Größe nach jenen, die üblicherweise in der klinischen Chirurgie repariert werden. Zu diesem Zweck züchteten die Forschenden ein innovatives Implantat, um den Knochenschaden zu füllen. Die Beschichtung mit dem biomimetischen Film führte ohne Nebenwirkungen zu einer wirksamen Knochenreparatur in Abhängigkeit vom knochenmorphogenetischen Protein 2.
Zukünftige Ausrichtungen
Abschließend bestärkten die vielversprechenden Ergebnisse die REGENERBONE-Gruppe, die Zulassung für das Testen der biomimetischen Produkte in Studien am Menschen einzuholen. Dies wird in Zusammenarbeit mit dem Netzwerk klinischer Untersuchungszentren für technologische Innovation in Bordeaux, das auf die Translation innovativer Medizinprodukte spezialisiert ist, stattfinden. Vor allem wird die Vielseitigkeit der Technologie die Erstellung maßgeschneiderter Implantate ermöglichen, die an die Bedürfnisse jedes einzelnen Knochenschadens angepasst sind. Biomimetische Filme können auch außerhalb des Bereichs der Knochenimplantate eingesetzt werden, z. B. um Mikrotiterplatten für Zellkulturen zu beschichten, mit denen die zelluläre Signalgebung untersucht und die Differenzierung der Stammzellen kontrolliert wird. Die Anwendung wurde im Projekt BIOACTIVECOATINGS, das vom Europäischen Forschungsrat (ERC) der EU finanziert wird, untersucht und kann für die Wirkstoffsuche, die Gewebezüchtung sowie in der Toxikologie eingesetzt werden.
Schlüsselbegriffe
REGENERBONE, biomimetisch, knochenmorphogenetisches Protein 2, BMP-2, Knochenschaden, künstliches Transplantat, Knochenimplantat, osteoinduktiv, Knochenregeneration, BIOMIM, BIOACTIVECOATINGS