Verbesserte Knochenreparatur dank Zusammenarbeit mit Immunsystem
Große Knochendefekte sind Lücken im Knochen, die nach der Entfernung eines Tumors, nach einer Infektion oder infolge eines Traumas entstehen können. Diese Lücken sind zu groß, als dass der Körper selbst sie heilen könnte, und erfordern einen medizinischen Eingriff. Zu den derzeitigen Ansätzen zählt es, Biomaterial zur Förderung der Knochenregeneration einzubringen. Viele dieser Materialien werden jedoch vom körpereigenen Immunsystem erkannt und abgestoßen, wodurch Entzündungen ausgelöst werden. Sie können die Heilung eher verlangsamen als eine regenerative Reaktion hervorzurufen. „Forschende wie wir versuchen jetzt, mit dem Immunsystem zu arbeiten, anstatt dagegen“, sagt Cansu Gorgun, ehemalige Stipendiatin der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) am Royal College of Surgeons in Ireland(öffnet in neuem Fenster) und jetzt Tenure-Track-Forscherin an der Universität Genua. „Durch sogenanntes Immunoengineering versuchen wir, die Reaktion des Körpers auf eine Weise abzustimmen, dass das Umfeld besser die Geweberegeneration unterstützt“, fügt sie hinzu. Im Rahmen des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts METABOLATE konzentrierten sich Gorgun und ihre Kolleginnen und Kollegen auf extrazelluläre Vesikel, winzige Partikel, die von Zellen im Körper freigesetzt werden und biologische Kommunikationssignale übertragen. Gorgun verfolgte das Ziel, ein Gerüst zu entwickeln, das extrazelluläre Vesikel enthält, um die Knochenreparatur zu maximieren. Die Idee bestand darin, dass extrazelluläre Vesikel, wenn sie an Biomaterialien gebunden sind, diese biologischen Botschaften an die umliegenden Zellen im beschädigten Knochenbereich übertragen und den Heilungsprozess anregen können. „Es hat sich bereits erwiesen, dass extrazelluläre Vesikel aus Stammzellen die Knochenregeneration effektiver fördern als die Zellen selbst“, berichtet Gorgun. „Aber niemand hatte das bisher mit extrazellulären Vesikeln aus menschlichen Immunzellen getestet, und genau darin bestand das Ziel unseres Projekts.“
Makrophagen in Richtung Förderung der Knochenreparatur umprogrammieren
Das Team von METABOLATE konzentrierte sich auf Makrophagen, die wichtigsten an der Knochenheilung beteiligten Immunzellen. Ist ein Knochen beschädigt, nehmen Makrophagen zunächst eine entzündungsfördernde Rolle ein, um Bruchstücke zu beseitigen und Infektionen zu bekämpfen, und wechseln dann in einen entzündungshemmenden Zustand, der Gewebereparatur und Knochenneubildung unterstützt. Die Forschenden erkundeten, ob dieser Übergang durch die Umprogrammierung des Makrophagenstoffwechsels mit kleinen Molekülen steuerbar sein könnte. Unter Nutzung dieses Ansatzes erzeugten sie hybride extrazelluläre Vesikel mit sowohl entzündungsfördernden als auch -hemmenden Signalen aus umprogrammierten Makrophagen und erprobten deren Wirkung auf menschliche Knochenmark- und Endothelstammzellen. Sie bauten sie in Kollagen-Nanohydroxylapatit-Gerüste ein und testeten sie in In-vitro-Umgebungen. Mithilfe eines Projektpartners analysierten sie die extrazelluläre Vesikel weiter, um zu verstehen, welche molekularen Signale sie tragen. „All diese Arbeiten erfolgten im Labor, und es gibt noch keine klinischen Versuche, aber die Ergebnisse sind sehr ermutigend“, fügt Gorgun hinzu.
Weg zur Beeinflussung des Immunsystems eröffnen
Die wichtigste Erkenntnis aus dem Projekt war, dass es in Bezug auf die Knochenheilung keinen „guten“ oder „schlechten“ Makrophagen-Phänotyp gibt. „Wir brauchen sowohl entzündungsfördernde als auch -hemmende Makrophagen, die im Sinne einer effizienten Regeneration zusammenarbeiten“, erklärt Gorgun. „Am wichtigsten ist, dass hier erstmals in einer Studie die Rolle menschlicher, aus Makrophagen abgeleiteter extrazellulärer Vesikel bei der Knochenreparatur aufgezeigt wird.“ Das Team fand heraus, dass diese extrazellulären Vesikel die Bildung neuer Blutgefäße und von Knochengewebe beeinflussen. „Das eröffnet einen neuen Weg zur technischen Beeinflussung des Immunsystems im Sinne der Unterstützung der Knochenreparatur“, merkt Gorgun an.
Immunsystem zur Knochenregeneration hinlenken
Die Forschenden arbeiten nun an Biomaterialien, um besser zu verstehen, wie sie sich in den verschiedenen Phasen des Heilungsprozesses verhalten, und um die Stabilität und Langlebigkeit der Gerüste zu verbessern. „Wir gehen davon aus, dass wir mithilfe der Kombination von Immunoengineering mit extrazellulären Vesikeln intelligentere Implantate entwerfen können, die das Immunsystem steuern, um das therapeutische Potenzial zur Geweberegeneration zu optimieren“, bekräftigt Gorgun.
