Mit gedruckten Implantaten aus lebenden Zellen Osteoarthritis vorbeugen
Osteoarthritis ist eine degenerative Erkrankung der Gelenke, die sowohl das Bindegewebe als auch den darunter liegenden Knochen beeinträchtigt. Obwohl Osteoarthritis im Allgemeinen mit einer alternden Bevölkerung in Verbindung gebracht wird, kann sie auch bei jungen Menschen ausgelöst werden, zum Beispiel durch schwere Sportverletzungen oder andere Ursachen für Traumata durch starke Stöße. „Tiefe osteochondrale Defekte (sowohl den Gelenkknorpel als auch den Knochen betreffende Probleme) können in jungen Jahren Osteoarthritis auslösen“, erklärt Ioannis Papantoniou(öffnet in neuem Fenster), Koordinator des Projekts JOINTPROMISE(öffnet in neuem Fenster) von der KU Leuven in Belgien. „Ist Osteoarthritis einmal im Gange, kann sie nicht mehr rückgängig gemacht werden. Das kann dann dazu führen, dass in relativ jungen Jahren, oft im Alter zwischen 40 und 50, am Knie operiert werden muss.“ Eine große Herausforderung besteht darin, dass die heute üblichen Kunststoffimplantate eine maximale Lebensdauer von fünfzehn Jahren aufweisen; und wenn sie abgenutzt sind, müssen sie ersetzt werden. „In dieser Zeit kann der Knochen weiter degeneriert sein, was bedeutet, dass nicht einfach etwas Gleichwertiges als Ersatz dienen kann“, erläutert Papantoniou. „Der Prozess ist weitaus komplexer.“ Osteoarthritis kann daher lebenslange Mobilitätsprobleme nach sich ziehen, die mit erheblichen Kosten für den einzelnen Menschen und die Gesellschaft als Ganzes verbunden sind.
Synchronisierung der Knochen- und Knorpelregeneration
Im Rahmen des Projekts JOINTPROMISE wurde versucht, diese Herausforderung mit der Entwicklung von Gelenkimplantaten zu meistern, bei denen es möglich ist, die Regeneration des Knorpels und des darunter liegenden Knochens zu synchronisieren. Wird die zugrundeliegende Verletzung behandelt, bekommen junge Betroffene eine bessere Chance auf Heilung und die Osteoarthritis kann vermieden werden. Das Projektteam leistete Pionierarbeit bei neuen Entwicklungen in der Organoidtechnologie, miniaturisierten und vereinfachten Versionen menschlicher Organe, die in vitro aus Stammzellen gezüchtet werden. „Die von uns erstellten Organoide sind im Grunde genommen vorprogrammierte Bausteine zum Aufbau dieser Implantate“, erklärt Papantoniou. „Einmal implantiert, wissen sie, wie sie die notwendigen Regenerationsprozesse in Gang bringen können.“ Ein weiteres Schlüsselelement der Projektarbeit war der Biodruck. „Biotinten“, eine Mischung aus lebenden Zellen und Biomaterialien, kamen beim 3D-Druck funktioneller Gewebestrukturen zum Einsatz.
Optimierter, automatisierter Bioreaktorprozess
Die nächste Herausforderung für das Projektteam war die Frage, wie diese Organoide tausend- oder gar millionenfach großmaßstäblich hergestellt werden können. „Zu diesem Zweck haben wir mit unseren Partnern eine Minifabrik gebaut, die derzeit an der KU Leuven aufgebaut ist“, fügt Papantoniou hinzu. „Bei diesem optimierten, automatisierten Bioreaktor- und Biodruckprozess werden einzelne Zellen hergenommen, in Organoide umgewandelt und diese dann zu größeren Implantaten biogedruckt, wobei an der Digitalisierung dieser derzeit manuellen Prozesse gearbeitet wird.“ Die Minifabrik wurde innerhalb des Projekts erprobt und validiert. Realisierbarkeit und Wirksamkeit der Implantate wurde an Tiermodellen untersucht; der nächste Schritt wird die Durchführung klinischer Versuche am Menschen sein. „Die Plattform an der KU Leuven wurde nach Ablauf der Projektzeit weiterentwickelt und validiert“, berichtet Papantoniou. „Das ist ein bedeutsamer Schritt auf dem Weg zur Herstellung lebender Implantate in einer überwachten, kontrollierten und automatisierten Umgebung, bei minimalen manuellen Eingriffen während der Anfertigung.“
Vorteile biotechnologisch hergestellter Implantate
Nach ihrer Einführung in das klinische Umfeld könnten diese Implantate auf biotechnologischer Basis die Lebensqualität der Betroffenen durch die Regeneration des subchondralen Knochens und des Gelenkknorpels sowie das Vermeiden der Osteoarthritis erheblich verbessern. Dies wiederum wird die Gesundheitsdienstleister entlasten. Papantoniou sieht in der Innovation außerdem großes Potenzial für eine Reihe von Situationen, nicht nur für junge Menschen mit Sportverletzungen. Ein Paradebeispiel dafür sind Konfliktgebiete, in denen die Bürgerinnen und Bürger Gefahr laufen, verletzt zu werden. Die Technologie, die zur großmaßstäblichen Herstellung von Bioimplantaten entwickelt wurde, könnte ebenso anderen Zwecken dienen. „Unsere Anwendungen waren Gelenke, aber die Robotikplattform, die wir gebaut haben und den Bioreaktor und das Biodrucken beinhaltet, könnte auch zur Erzeugung von Nieren- oder Herzorganoiden verwendet werden“, bemerkt Papantoniou. „Potenziell können verschiedene Typen von Gewebeimplantaten für ein breites Spektrum von Patientinnen und Patienten hergestellt werden.“