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Forscher lassen Knochen wachsen

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 27.01.2009 13:50

Mit Hilfe von modifizierten Mineralen soll möglich gemacht werden, was bislang in dieser Größenordnung noch graue Theorie ist: Die Entwicklung von Implantaten, die eine aktive Regeneration von Knochendefekten ermöglichen.

Kleine Knochenschäden lassen sich heute bereits mit Mineralstoffen beheben, die den gleichen chemischen Aufbau wie Knochen oder Zähne haben: Calciumphosphate bauen sich langsam im Körper ab und werden dabei nach und nach vom natürlichen Knochen ersetzt. Zwar herrscht an calciumphosphatbasierte Mineralstoffen kein Mangel: Sie können in praktisch allen Vulkangesteinen gefunden werden. Auch in Sedimenten, metabolischen Gesteinen, tierischen Quellen und Algenprodukten sind sie zu finden.

Allerdings sind diese natürlichen Vorkommen von Calciumphosphaten für eine Verwendung als Knochenersatzimplantate kaum geeignet, da sie Verunreinigungen aufweisen, die auch mittels zeit- und kostenintensiven Verfahren nicht vollständig aus ihnen herausgefiltert werden können. Folglich kam es einem Durchbruch gleich, als Ende der 1990er Jahre synthetisch hergestellte, äußerst reine Calciumphosphate in Form von Granulaten und Pasten entwickelt wurden. Kleine Knochendefekte können seitdem ohne medizinisches Risiko behandelt werden.

Größere Knochenschäden können diesen Granulaten hingegen nicht beheben: Die schwammartige Struktur eines Knochens lässt sich mit ihnen nicht remodellieren. Werden die Calciumphosphate aber mit so genannten knochenmorphogenen Proteinen „beladen“, eröffnet sich die Möglichkeit, auch größere Defekte mit ihrer Hilfe zu schließen. Klinische Studien belegen, dass Proteine den menschlichen Körper dazu anregen können, Gewebe zu produzieren, und auf diese Weise das Wachstum von Knochen signifikant zu steigern.

Verschiedene Forschergruppen haben deshalb in den letzten Jahren knochenmorphogene Proteine mit Calciumphosphate gekoppelt. Die genaue Wechselwirkung dieser wachstumsstimulierenden Proteine mit mineralischen Oberflächen ist im Detail indes noch nicht bekannt. Als Teil des Themenschwerpunkts „Mineraloberflächen“ des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN wurde deshalb das Projekt BioMin ins Leben gerufen. Mit denen im Rahmen von BioMin gesammelten Erkenntnissen sollen die Prozesse, die an funktionalisierten Mineraloberflächen entstehen, besser verstanden und kontrollierbar gemacht werden.

Um dies zu realisieren, muss neben einer detaillierten Analyse der chemisch-physikalischen Vorgänge, die zwischen der Mineraloberfläche und den Proteinen entstehen, auch die biochemische Interaktion zwischen den Proteinen und dem natürliche Gewebe des menschlichen Körpers untersucht werden. „Zu den Aspekten unseres Projekts gehören dabei unter anderem Simulationen bis hinunter auf die Nanoebene und experimentelle Studien am lebenden Organismus. Auch eine klinische Evaluation wird im Rahmen von BioMin durchgeführt“, erklärt Projektleiter Professor Horst Fischer von der RWTH Aachen. Auf Basis der erhofften Ergebnisse des Projekts sollen biologisch modifizierte Knochentransplantate mit einer verbesserten Effektivität entwickelt werden, die sich individuell auf den Patienten abstimmen lassen.

Horst Fischer erklärt, wie dies ermöglicht werden kann: „Der Schlüssel zum Erfolg im Bereich der Biomaterialforschung besteht darin, fächerübergreifend zu denken und zu agieren. Die heutigen hochkomplexen Fragestellungen in diesem Arbeitsbereich können nur noch von interdisziplinären Expertenteams zielführend gelöst werden. Die beteiligten Ingenieure müssen nachvollziehen, wie ein Chemiker denkt, und die Wissenschaftler, die die Simulationsrechnungen durchführen, müssen sich in die klinische Sichtweise der Chirurgen hineinversetzen.“ Solche fächerübergreifenden Allianzen, ist Fischer überzeugt, könnten der Wissenschaft auch Abseits vom medizintechnischen Forschungsbereich ganz neue Impulse geben.

RD, iserundschmidt 01/2009


Das Projekt BioMin macht deutlich, wie interdisziplinär die Geowissenschaften mittlerweile angelegt sind. Gleichzeitig ist es ein gutes Beispiel für den GEOTECHNOLOGIEN-Förderschwerpunkt „Mineraloberflächen“, der sehr viele Projekte umfasst, die auf den ersten Blick scheinbar nicht viel mit der Vorsilbe Geo zu tun haben: etwa die Wasseraufbereitung, die Entwicklung neuartiger Baustoffe oder die Untersuchung der Schadstofffreisetzung aus Abraumhalden.

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