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Fortschritte bei der Entwicklung von Biomaterial und Gewebevalidierung

In jüngster Zeit konnten dank des BIODESIGN-Konsortiums zahlreiche Fortschritte bei der Biomaterialentwicklung und der Gewebevalidierung erzielt werden. Gegenwärtig entwirft eine Gemeinschaft aus 19 Forschungs- und Klinikteams an Universitätszentren kleinen Biotech-Unternehmen...
Fortschritte bei der Entwicklung von Biomaterial und Gewebevalidierung
In jüngster Zeit konnten dank des BIODESIGN-Konsortiums zahlreiche Fortschritte bei der Biomaterialentwicklung und der Gewebevalidierung erzielt werden. Gegenwärtig entwirft eine Gemeinschaft aus 19 Forschungs- und Klinikteams an Universitätszentren kleinen Biotech-Unternehmen und großen Pharmaunternehmen moderne therapeutische Konzepte, die bei der Behandlung traumatischer Gewebeschäden und degenerativer Erkrankungen beim Menschen helfen und das Leiden der Patienten erleichtern sollen.

Ein Forschungsteam des UCL (University College London), Vereinigtes Königreich, hat unter der Leitung von Professor Robert Brown Fortschritte bei der Entwicklung von Biomaterialien gemacht. Sein Team nahm sich eines wichtigen Problems an, das bei der Verwendung von Biomaterialien auf Kollagenbasis für die Gewebereparatur auftritt: nämlich, dass bei der Verwendung von Materialien mit Wachstumsfaktoren und Zellen die "Mischung" sich in alle Richtungen verwächst, was nicht der strengen Ausrichtung und Positionierung entspricht, die bei Gewebewachstum auftreten. Das zeigt, dass ein Material, das für die Gewebereparatur verwendet wird, sowohl die strukturellen Komponenten als auch eine Richtung aufweisen sollte, in die das Gewebe geheilt werden sollte, um die funktionelle Integration in das Umgebungsgewebe zu ermöglichen. Durch die Kombination von Kompression und Photodynamik - lichtabhängige Mischkonzepte - konnte das Team von Brown ein hochstrukturiertes Materialsystem erstellen, das an eine Vielzahl komplexer Gewebe angepasst werden kann.

Ähnliche Forschungsarbeiten wurden vom Team seines Forscherkollegen Oommen Varghese an der Universität Uppsala in Schweden durchgeführt. Es wurden Studien zur Verwendung von Biomaterialien vorgenommen, die auf natürlich vorkommenden Molekülen aus einer extra-zellulären Matrix basierten. Das Team entwickelte ein äußerst vielseitiges System, das sich in therapeutischen Methoden einsetzen lässt. Es wurden injizierbare Hydrogele mit anpassbarer Freisetzungskinetik therapeutischer Proteine, die auf bestimmten molekularen Strukturen basieren - Hyaluronsäure und Glykosaminoglykane - entwickelt, mit denen sich Gewebe reparieren lassen.

Teams der Universität Nottingham unter der Leitung von Professor Kevin Shakesheff und der Universität Uppsala haben eine Reihe von Biomaterialien entwickelt, die für die Behandlung sehr spezifischer Knochenerkrankungen ausgelegt sind. Sie eröffnen den Markt für echte Optionen bei der Behandlung von Knochenerkrankungen. Materialien für Knochenerkrankungen konzentrierten sich zuvor auf große Knochen und den Schädelknochen. Aber derartige Materialien eignen sich nicht für kleinere Knochen, die ebenso wichtig sind, wie z. B. die Knochen im Ohr. Das Team von Shakesheff entwickelte ein biologisch abbaubares Trägersystem für die Regenerierung von Luftzellen im Ohrenknochen. Insoweit sich die Studien dessen bewusst sind, handelt es sich hierbei um das erste Trägersystem für diese Anwendung, das in einen Hohlraum eingebracht werden kann und dann im Körper aushärtet. Das Team aus Uppsala nahm existierende Materialien und kombinierte sie mit Phosphonaten - eine Form von Wirkstoffen, die normalerweise bei der Behandlung von Osteoporose eingesetzt werden - und erzeugte damit zwei neue Arten von Materialien. Die erste unterstützt bei der korrekten Ausbildung der Trägerstruktur und die zweite bei der Optimierung, dem Schutz und der Anregung des Wachstums und der Interaktion der Zellen.

Teams der AO Stiftung, Schweiz, und der Universität Southampton, Vereinigtes Königreich, begannen mit der Identifizierung informativerer Lösungen für die Bereitstellung zugehöriger Informationen, die eine korrekte Entscheidungsfindung bei der Entwicklung von Therapien für menschliches Gewebe erlauben. Unter der Leitung des Forschers Martin Stoddart untersuchte das Schweizer Team die Zellen, die als Ausgangsassays für die Bewertung verwendet wurden, ob die Materialien die Knochenbildung anregen. Das Team identifizierte zwei immortalisierte Zelllinien, die sehr stark den menschlichen Zellen entsprechen. Dabei wurden die Zellen hervorgehoben, die in künftigen Forschungsarbeiten ausführlicher analysiert werden sollten. Nur die Materialien, bei denen alle erforderlichen positiven Ergebnisse über dem notwendigen Grenzwert für den gewünschten Effekt liegen, sollten weiterentwickelt werden.

Das Team von Professor Richard Oreffo von der Universität Southampton wollte kostengünstigere, schnellere und informativere Modelle für die Strategien bei der Gewebereparatur identifizieren. Er griff das Problem erneut auf, indem er Knochenkulturen von Hühnerküken als Zwischenphase zwischen Zellassays und Mausstudien nutzte. Kükenknochen können chirurgisch entfernt und in Petrischalen gezüchtet werden. Dabei lassen sich die Auswirkungen der Materialien auf die Förderung der Knochenbildung untersuchen, da ihre differenzierte und einzigartige Reaktion auf exogene Stimuli ein interessantes Modell für Tests von Wachstumsfaktoren und Screening-Therapien darstellt. Durch die Verwendung dieser Methode lässt sich die Anzahl der Materialien, die in Tiermodellen weiter getestet werden deutlich senken, wodurch mehr ethische Informationen mit starken Auswirkungen, kostengünstiger und schneller zur Verfügung stehen.

Die Erforschung der Validierung des Skelettmuskelgewebes wurde von einem Team um Professor Giulio Cossu an der UCL durchgeführt. Das Team schloss in Zusammenarbeit mit Professor Dror Seliktar vom Technion - Israel Institute of Technology, Israel, die erste Reihe präklinischer Versuche ab, bei denen Muskelstammzellen mit Biomaterialien kombiniert wurden. Es wurden zwei Entwicklungssignale und ein Wachstumsfaktor identifiziert. Diese können wichtige Auswirkungen auf die Muskelzellen in dem Gewebe selbst haben und ihr Verhalten bestimmen und verändern. Obwohl die Zellen und das Material in klinischen Versuchen getrennt getestet wurden, gibt es Potenzial für eine schnellen Kombination und Versuchen an Menschen.

Interessanterweise sind das erst die ersten Schritte bei der Forschung. Die Optimierung von Zelltypen, neuere Materialien und genauere Wachstumsfaktoren und Entwicklungssignale in einer Therapieform könnte die Zukunft dieser Therapiemöglichkeit darstellen. Auf diese Weise sind die vom Projekt BIODESIGN entwickelten neuen Ansätze richtungsweisend.

Das BIODESIGN-Projekt reagiert auf die große Nachfrage nach einem wissenschaftlich-technologischen Rahmen und die Erstellung von Protokollen, um funktionelle Biomaterialien schneller und kostengünstiger auszuwählen und anzupassen. Es will einen "modularen" Ansatz verfolgen, um die Materialherstellung anzuführen, die Technologie zu ermöglichen und letztendlich derartige moderne Materialien und Technologien europäischen Investoren vorzustellen. Das Projekt wurde vom RP7 der EU mitfinanziert und seine Forschungsarbeiten wurden von Professor Jons Hilborn der Universität Uppsala, Schweden, koordiniert.

"Die veröffentlichten Ergebnisse zeigen als erste öffentlich die Relevanz und die Auswirkungen des ursprünglichen BIODESIGN-Projektplans. Wir haben bereits das Fehlen von Korrelationen zwischen klinischen Ergebnissen beim Menschen und der historischen Entwicklungsassays, die in der präklinischen Entwicklung verwendet werden, nachgewiesen. Jetzt machen wir Fortschritte bei der rationalen Entwicklung realer regenerativer Therapien, die auf bekannten Patientenbedürfnissen und aktuellen Kenntnissen beruhen. Obwohl wir von der klinischen Anwendung noch weit entfernt sind, wurden von Partnern dennoch solide Grundlagen gelegt, die für die Zukunft vielversprechend sind", sagte Professor Hilborn.

Quelle: Universität Uppsala

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