Auf dem Weg zum künstlichen Ersatzgewebe

Spezielle Spinnenseidenproteine verbessern die Funktion von Biomaterialien

Ersatzgewebe spielen in Zukunft eine immer wichtigere Rolle zur Rekonstruktion und Schließung von Gewebedefekten, zum Beispiel bei großflächigen Verbrennungen der Haut. Denn die Verpflanzung von Eigengewebe ist nicht immer möglich, etwa weil die Wunden zu groß sind. Ein Problem bei der Züchtung von Ersatzgewebe, dem sogenannten Tissue Engineering, besteht jedoch regelmäßig darin, die Durchblutung des gezüchteten Gewebes zu sichern. Eine aktuelle Arbeit von Forschungsgruppen der FAU und der Universität Bayreuth zeigt, dass die Durchblutung von Gewebsgerüsten aus Spinnenseidenproteinen, die als Träger für Gewebszellen dienen, durch Biofunktionalisierung verbessert werden kann. Die Forschenden fügten den Spinnenseidenproteinen einen Stoff hinzu, der das Wachstum von Blutgefäßen fördert. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in der führenden Fachzeitschrift „Biofabrication“ veröffentlicht.

Züchtung künstlicher Ersatzgewebe – Tissue Engineering

Großflächige Gewebedefekte, zum Beispiel nach Tumoroperationen oder Unfällen, können durch die Verpflanzung von Eigengewebe, dem autologen Gewebeersatz, rekonstruiert werden. Individuelle Faktoren der einzelnen Betroffenen, etwa Nebenerkrankungen oder Voroperationen aber auch die Defektgröße, können den autologen Gewebeersatz einschränken und in manchen Fällen sogar gänzlich unmöglich machen.

„Eine innovative und besonders schonende Technik, um großvolumige Gewebedefekte wiederherzustellen, ist die Züchtung von künstlichen Ersatzgeweben“, erklärt Prof. Dr. Raymund E. Horch, Direktor der Plastisch- und Handchirurgischen Klinik am Universitätsklinikum Erlangen der FAU. Bei diesem Tissue Engineering werden die Gewebszellen, die das zu ersetzende Gewebe bilden sollen, in ein spezielles Gerüst, die Trägermatrix, eingebracht. Diese wird später in den Defekt implantiert. „Die Vaskularisierung, also die Durchblutung der zellularisierten Trägermatrix, ist beim Tissue Engineering die kritische Stellgröße für den erfolgreichen klinischen Einsatz“, führt Prof. Dr. Horch aus.

In zahlreichen Vorarbeiten konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der FAU nachweisen, dass durch die Schaffung einer arteriovenösen Kurzschlussverbindung, dem sogenannten AV-Loop, eine Verbesserung der Durchblutung und Gewebeneubildung erreicht werden kann. AV-Loops sind dreidimensionale Gefäßschleifen, die je über eine Arterie und eine Vene an den Blutkreislauf angeschlossen sind. Rund um die Gefäßschleife sollen sich dann Blutgefäße ausbilden, damit neu verpflanztes Gewebe durchblutet und mit Sauerstoff versorgt werden kann.

Biofunktionalisierung von Spinnenseidenproteinen

„Wir arbeiten seit Längerem mit Prof. Dr. Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth zusammen. In einer früheren Studie konnten wir nachweisen, dass die Verwendung von besonders dünnen Fasern aus dem Spinnenseidenprotein eADF4(C16) die Vaskularisierung, die vom AV-Loop ausgeht, deutlich verbessert“, führt PD Dr. Dominik Steiner aus. In der aktuellen Studie wurde eine Matrix aus dieser bewährten Spinnenseide mit einem zusätzlichen RGD-Peptid eingesetzt. Peptide sind Moleküle aus Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen. Das RGD-Peptid fördert unter anderem die Blutgefäßneubildung. Und Spinnenseide übertrifft in ihrer Stabilität und Dehnbarkeit sogar Hightech-Fasern. Sie kann zum Beispiel dreimal mehr Energie aufnehmen als Kevlar, bevor sie reißt.

Über vier Wochen wurden Matrizes aus der eADF4(C16)-RGD-Spinnenseide mittels AV-Loop vaskularisiert und mit der Kontrollgruppe ohne RGD-Peptid verglichen. „Dabei konnten wir eine deutliche Steigerung der Durchblutung in der RGD-Gruppe beobachten“, berichtet PD Dr. Steiner. „Neben einer guten Biokompatibilität konnten wir einen langsameren Abbau der eADF4(C16)-RGD-Spinnenseidenmatrix gegenüber anderen Biomaterialien beobachten“, ergänzt Prof. Dr. Horch.

„Die gewonnenen Erkenntnisse stellen einen wichtigen Meilenstein zur Gewinnung künstlicher Ersatzgewebe dar. Es sind weitere Studien vorgesehen, in denen zellularisierte Matrizes aus eADF4(C16)-RGD-Spinnenseide verwendet werden sollen“, fasst PD Dr. Steiner zusammen.

Die Studie erfolgte im Rahmen des DFG-geförderten Sonderforschungsbereichs SFB TRR225 „Von den Grundlagen der Biofabrikation zu funktionalen Gewebemodellen“.

Weitere Informationen

https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac0d9b

Prof. Dr. Raymund E. Horch
Professur für Plastische Chirurgie und Handchirurgie
Tel.: 09131/85-33277
raymund.horch@uk-erlangen.de

PD Dr. Dominik Steiner
Professur für Plastische Chirurgie und Handchirurgie
Tel.: 09131/85-33277
dominik.steiner@uk-erlangen.de