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Das große Ziel der Herzchirurgen: mitwachsende Transplantate

Prof. Dr. Gerhard Ziemer (Foto: privat)

Prof. Dr. Gerhard Ziemer (Foto: privat)

Wenn bei Kindern Gefäße und Herzklappen ersetzt werden müssen, sind Nachoperationen vorprogrammiert, weil heutige Transplantate nicht mitwachsen. Tissue Engineeringi soll das ändern: Regenerationsmediziner und Herzchirurgen der Tübinger Uniklinik wollen wachstumsfähige Ersatzgewebe entwickeln.

Angeborene Herzfehler operativ zu beheben ist ein Spezialgebiet von Prof. Dr. Gerhard Ziemer, dem Ärztlichen Direktor der Tübinger Universitätsklinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie. Häufig müssen den kleinen Patienten neue Herzklappen eingesetzt werden oder fehlerhafte Gefäß-Verbindungen zwischen Herz und Kreislaufsystem müssen ersetzt werden. Der Herzchirurg ist eine internationale Kapazität und hat enorme Erfahrungen mit solchen Klappen- und Gefäß-Operationen. Leider stehen ihm und seinen Kollegen dafür nicht genug menschliche Transplantate, so genannte "Homografts" zur Verfügung.

Zwar kann auch mitwachsendes patienteneigenes Ersatzmaterial eingesetzt werden, das hilft aber nur begrenzt. "Wir haben 1989 bei einem Neugeborenen den weltweit ersten erfolgreichen Ersatz der Herzklappe zur Hauptschlagader mit einer körpereigenen Pulmonalklappe durchgeführt. Der jetzt 17-jährige ist begeisterter Schlagzeuger. Da die Regenerationsfähigkeit autologer Transplantate jedoch stark von der Belastung abhängt, ist das nicht immer die Lösung", sagt Ziemer. Zudem muss die fremdersetzte Pulmonalklappe im Wachstum wiederholt ersetzt werden. Da Herzklappen in der Pulmonalposition nicht so hoch belastet werden wie die anderen Herzklappen, können sie auch durch Venenklappen vom Rind ersetzt werden.

Aus Herzbeutelgewebe vom Rind werden Herzklappenprothesen hergestellt. Sie werden durch eine Behandlung mit Glutaraldehyd so weit denaturiert, dass ihre Struktur zwar erhalten bleibt, sie aber keine Abstoßungsreaktionen hervorrufen. "Glutaraldehyd vernetzt das Kollageni im Gewebe so stark, dass der Körper es nicht mehr als fremd erkennt. Bei Xenotransplantaten baut sich jedoch kein neues Gewebe auf. Selbst wenn sich Fibroblasteni ansiedeln, führt das höchstens zu Fehlbildungen", so Ziemer. Die Unzulänglichkeiten der Ersatzmaterialien sind der Grund, warum die Forscher intensiv nach Alternativen suchen und im Tissue Engineering langfristig gute Perspektiven sehen. Ziemer formuliert den Bedarf speziell in der Kinderchirurgie: "Die Anforderung für Kinder ist das tatsächliche Wachstum und eine stabile Matrix, die so vom eigenen Gewebe überwachsen wird, dass sie nicht verkalkt und keine mechanischen Probleme verursacht."

"Fishing for Stemcells"

Dr. Hans-Peter Wendel (Foto: privat)

Dr. Hans-Peter Wendel (Foto: privat)

An solchen Ersatzmaterialien arbeiten im klinikeigenen Forschungslabor rund ein Dutzend Wissenschaftler und Doktoranden unter Leitung von Dr. Hans-Peter Wendel. "Der erste Schritt auf dem Weg zu mitwachsenden Transplantaten sind selbstbesiedelnde Transplantate", erklärt Wendel, der mit seinem Team auf diesem Gebiet bereits beachtliche Erfolge erzielt.

Er benutzt als Ausgangsmaterial handelsübliche Gefäßprothesen, die er so modifiziert, dass sie nach dem Einpflanzen von Endothelzellen besiedelt werden. "Wir statten die Gefäßprothesen mit Fängermolekülen aus, die hochspezifisch und selektiv endotheliale Stammzellen aus dem zirkulierenden Blut erkennen und binden sollen", erklärt Wendel. Ausgehend von diesen Stammzellen soll sich dann eine Endothelschicht bilden, die die gesamte Gefäßprothese als Innenwand auskleidet und alle Funktionen des natürlichen Endothels übernimmt. Die Arbeiten an diesem Konzept sind so vielversprechend, dass sie im Rahmen eines BioProfile-Projekts vom BMBF gefördert werden. Unterstützung erhalten die Kliniker durch ihren Industriepartner, die Jotec GmbH in Hechingen.

Für Herzklappen entwickelt Wendel eine spezielle Variante dieses Verfahrens. Er arbeitet daran, azellularisierte Xenotransplantate wieder mit patienteneigenen Endothelzellen zu besiedeln, sie gewissermaßen zu reanimieren. Wendel hofft, auf diesem Wege in ein paar Jahren ein mitwachsendes Transplantat entwickeln zu können. Bei den selbst-besiedelnden Gefäßprothesen bestehen gute Chancen, dass sie bereits in einem Zeitraum von zwei bis drei Jahren klinisch eingesetzt werden könnten.

Modellsystem für Gefäßprothesen

Die Forscher der Tübinger Uniklinik haben im Laufe der Jahre eine außergewöhnliche Kompetenz auf dem Gebiet der Gefäße und Beschichtungen entwickelt. "Wir sind heute ein Referenzzentrum für ganz Europa. Die Unternehmen lassen neu entwickelte biochemische Beschichtungen in unserem Labor testen", sagt Ziemer. Wendel und sein Team verfügen über diverse Testmodelle, um die Verträglichkeit von Gefäßen zu analysieren. Sie dürfen weder Gerinnungsstörungen noch Entzündungen hervorrufen. Untersucht werden aber nicht nur Gefäßimplantate, sondern auch Medizingeräte wie die Oxygenatoren von Herz-Lungen-Maschinen, die das durchströmende Blut mit Sauerstoff anreichern.

Intelligentes Reparaturmaterial

Stammzellen nach der Injektion ins Myocard (Abb: UKT/Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie)

Stammzellen nach der Injektion ins Myocard (Abb: UKT/Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie)

Auch in der Infarkt-Therapie haben regenerative Therapien ein großes Zukunftspotenzial. Bereits heute werden in manchen Kliniken Stammzellen in das Infarktareal gespritzt, um hier eine Regeneration des Herzgewebes zu erreichen. Wendel hält dieses Vorgehen jedoch für problematisch: "Die Ergebnisse sehen zurzeit zwar recht gut aus, aber eigentlich sind die Konsequenzen noch zu wenig erforscht, es gibt noch nicht genug Hintergrundwissen." Ziemer und Wendel gehen einen anderen Weg und setzen auf peri-operative Methoden.

Thrombozytenanlagerung an Implantat (Abb: UKT/Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie)

Thrombozytenanlagerung an Implantat (Abb: UKT/Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie)

Dabei wird während der Operation Blut entnommen, aus dem sofort bestimmte Stammzellen isoliert werden. Dabei kommen hochspezifische Fänger-Moleküle zum Einsatz, wie sie auch bei den selbstbesiedelnden Gefäßen verwendet werden. Die selektierten Stammzellen werden noch während der Operation wieder in den Körper injiziert. Im Tiermodell funktioniert diese Methode bereits sehr gut. "Selbst, wenn wir die Stammzellen nur in eine Koronararterie injizieren und nicht direkt ins Herzgewebe, sehen wir, dass die Zellen im Herzgewebe andocken", sagt Wendel. Wenn sich diese Ergebnisse bestätigen und auf den Menschen übertragen lassen, wäre das ein großer Schritt zu einer völlig neuen Behandlungsmethode. Allerdings werden noch mehrere Jahre Forschungsarbeit nötig sein, bevor ein klinischer Einsatz denkbar ist.

Wendel wagt noch einen weiter reichenden Blick in die Zukunft. Er hofft, in einem Zeitraum von acht bis zehn Jahren Konstrukte entwickeln zu können, die im Körper bestimmte Stammzellen dazu bringen, sich an einem genau definierten Zielgewebe anzulagern. Solche Konstrukte könnten zum Beispiel pharmakologische Substanzen sein. Wichtig ist, dass sie zwei Ziele spezifisch erkennen, einmal die Stammzelle und zum anderen das Zielgewebe. "Es sind noch sehr viele Vorversuche nötig und wir werden in absehbarer Zeit reine in-vitro-Forschung auf diesem Gebiet machen", sagt Wendel. Er ist jedoch optimistisch, dass solche Konzepte eines Tages die Therapiemöglichkeiten erweitern.

leh - 20.08.06
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH, Erstveröffentlichung unter www.bio-pro.de<, dem Biotech/Life Sciences Portal des Landes Baden-Württemberg. Alle Rechte vorbehalten.

Weitere Informationen:

Universitätsklinikum Tübingen
Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie

Prof. Dr. Dr. h.c. Gerhard Ziemer
Ärztlicher Direktor
Telefon: 07071 29-86638
gdziemer [at] med [dot] uni-tuebingen [dot] de

Dr. Hans Peter Wendel
Leiter Forschungslabor
Telefon: 07071 29-86605
hp [dot] wendel [at] uni-tuebingen [dot] de

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72076 Tübingen
Fax: 07071 29-4047
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