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Knochenersatz aus dem Labor für die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Dr. Dorothea Alexander leitet das Labor für Knochengewebekultur. (Foto: privat)

Dr. Dorothea Alexander leitet das Labor für Knochengewebekultur. (Foto: privat)

"Greisenkiefer" könnten dank moderner Regenerationsmedizin bald der Vergangenheit angehören. Tübinger Ärzte und Wissenschaftler arbeiten daran, per Tissue Engineeringi funktionsfähiges Knochengewebe auch für größere Defekte zu züchten.

Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgen gehen alltäglich mit Hartgewebe um. Die häufigsten Defekte betreffen den Kieferbereich. Fehl- oder Unterentwicklungen der Kieferknochen, Trauma-Verletzungen, etwa durch Sturz, und knochenzerstörende Tumore machen einen Großteil der Krankheitsfälle aus. Hinzu kommen Atrophien, also Rückbildungen des Kieferknochens, die meist eine Folge von Zahnverlust sind. In all diesen Fällen wäre es äußerst hilfreich, voll funktionsfähiges Knochengewebe aus dem Labor einsetzen zu können.

Ein vollwertiger Ersatz kann eine weitere Degeneration des Kieferknochens verhindern. Der Schlüssel dazu ist die mechanische Belastung, wie Prof. Dr. Dr. Siegmar Reinert, der Ärztliche Direktor der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Tübingen (UKT) erklärt: "Wir wissen heute, dass die Knochenfunktion vom Stoffwechsel abhängt. Wo eine Krafteinleitung stattfindet, wird der Stoffwechsel so angeregt, dass der Knochen erhalten bleibt."

Bei räumlich nicht allzu ausgedehnten Defekten ist eine Transplantation von gezüchtetem Knochengewebe heute schon möglich. An der Tübinger Klinik wurde vor rund drei Jahren ein Verfahren etabliert, um kleine Teile des Kieferknochens durch Gewebe aus dem Labor zu ersetzen. "Die Defektfüllung etwa bei teilatrophierten Kiefern war der erste Bereich, für den gezüchteter Ersatz kommerziell zur Verfügung stand. Wir haben damit beste Erfahrungen gemacht", sagt Reinert.

Tissue Engineering hilft bis jetzt nur bei kleinen Defekten

Sein Team setzt ein Zell-/Matrix-Produkt der Firma BioTissue ein, dessen zellulärer Anteil auf der Basis von patienteneigenen Zellen hergestellt wird. Die Ausgangszellen werden aus dem Periost, der Knochenhaut, im Kieferbereich entnommen. Die kultivierten Zellen werden dem Patienten dann in Verbindung mit einem biokompatiblen Trägermaterial implantiert.

Der große Vorteil dieser neuen Methode liegt darin, dass nicht an anderen Körperstellen ein Knochendefekt erzeugt werden muss, um Ersatz zu beschaffen. Übliche Entnahmestellen waren seither der Beckenkammi oder auch das Kinn. Der Eingriff zur Gewebeentnahme birgt hier immer das Risiko, dass es zu Beeinträchtigungen kommt - nicht einmal unbedingt durch den Materialverlust, sondern durch den Eingriff selbst.

Aber auch die regenerative Methode hat mit ihren derzeitigen Möglichkeiten einen Nachteil: Die Regenerate sind mechanisch nicht so belastbar, wie es bei weit reichenden Atrophien nötig wäre. Zum Teil haben die Patienten einen nur noch ein- bis drei Millimeter starken Kieferknochen. Bei ihnen ist es leider nicht möglich, den Kiefer so weit mit gezüchtetem Ersatzgewebe zu erhöhen, dass ein implantatfähiger Knochen entsteht.

Ersatzgewebe muss mit Blutgefäßen versorgt werden

Das Problem ist die Versorgung aller Gewebezellen mit Blutgefäßen. Es ist bis heute nicht gelungen, die Ausbildung von Blutgefäßen bei in vitroi gezüchtetem Knochengewebe zu gewährleisten. Folglich werden bei größeren Regeneraten nur die äußeren Zell-Schichten mit lebenswichtigen Stoffen versorgt, während der Kern des Gewebes leer ausgeht. Das transplantierte Gewebe kann weder seinen Zweck erfüllen noch vital bleiben. Stattdessen wird es nach und nach vom Körper resorbiert.

Die Arbeiten in Reinerts Gruppe zielen darauf, eine Vaskularisierungi auch größerer Ersatzgewebe zu erreichen, etwa durch Einsatz von Wachstumsfaktoren. "Eines unserer Ziele ist es, das Volumen, das wir einbringen können, deutlich zu vergrößern. Wir wollen langfristig auch komplette Kieferteile ersetzen", sagt Reinert. Dabei kommt auch die Formgebung ins Spiel. Kiefer-Augmentate (Plastiken) aus gezüchtetem Gewebe müssen durch Trägermaterialien in die richtige Form gebracht werden. "Was wir anstreben, sind Formkörper, die man vaskularisieren kann", so der Klinikchef.

Auf das richtige Zusammenspiel kommt es an

Das passende resorbierbare Trägermaterial zu finden, ist ein Forschungsziel von Dr. Dorothea Alexander, die an Reinerts Klinik das Labor für Knochengewebekultur leitet. "Wir testen verschiedene Trägermaterialien darauf, wie sie die Proliferationi und Differenzierungi von Periostzellen zu Knochengewebe beeinflussen. Gefragt ist eine stabile, aber auch dehnbare 3D-Struktur", sagt Alexander. Denn die Trägermaterialien (Scaffolds) sollen der mechanischen Belastung im Kieferbereich standhalten. Drei Trägermaterialien testet sie intensiv auf ihre Eignung für differenzierte und nicht differenzierte Periostzellen: Kollageni, Polylactid und Kalziumphosphat. Das Team untersucht weiterhin, welche Formen, Härten und Porengrößen machbar beziehungsweise optimal sind, um eine stabile Struktur zu erhalten.

Kalziumphosphat-Scaffolds

Kalziumphosphat-Scaffolds

"Von der chirurgischen Seite her können wir mit fast allen infrage kommenden Materialien leben, da wir ohnehin noch ein krafttragendes Material brauchen, damit das Regenerat in Ruhe einheilen kann", sagt Reinert. Dieses krafttragende Material ist in der Regel Titan. Es ist hochgradig biokompatibel und der Knochen heilt an Titan gut an.

Stammzellpotenzial von Knochenhautzellen wird ausgelotet

Alexander arbeitet auch an den Grundlagen für eine optimale Zell- und Gewebekultur. Dafür charakterisiert sie Periostzellen und ihr Differenzierungspotenzial. "Periostzellen zeigen einen mesenchymalen Stammzellcharakter, aber im Detail ist über die Zellen noch recht wenig bekannt", so die Biologin. Vorrangig möchte sie herausfinden, welche Gene bzw. Genprodukte eine wichtige Rolle in der zeitlichen Abfolge des Differenzierungsprozesses spielen. Wichtige Wachstums- und Differenzierungsfaktoren sollen ausfindig gemacht werden. "Je mehr wir über den osteogenen Differenzierungsprozess von Periostzellen wissen, desto besser können wir diese Kenntnisse bei der Herstellung von geeigneten Knochenimplantaten umsetzen", so Alexander.

Sie möchte auch herausfinden, warum sich nicht die Periostzellen aller Patienten in gleicher Weise in vitro zu Knochenzellen differenzieren lassen. "In manchen Kulturen können wir selbst nach 20 Tagen noch keine Kalzifizierung nachweisen, die ein Indiz für die Knochenbildung wäre", sagt Alexander. Klarheit soll ein Vergleich der Gen-Expressionsprofile zu verschiedenen Zeitpunkten während der Differenzierung von Periost- zu Knochenzellen schaffen. "Einige für den Kalzifizierungsprozess relevanten Gene sind bereits bekannt, es besteht jedoch noch viel Forschungsbedarf", so Alexander.

Sie konzentriert sich zurzeit vor allem auf den Einfluss von verschiedenen BMPs (bone morphogenetic proteins) auf die Differenzierung von Periostzellen. Die Wissenschaftlerin vermutet, dass diese Proteine eine zentrale Rolle spielen, dass es jedoch viele andere Faktoren gibt, die den Differenzierungsprozess ebenfalls steuern und beeinflussen.

leh - 18.12.06
© 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 und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Prof. Dr. Dr. Siegmar Reinert (Ärztlicher Direktor)
siegmar [dot] reinert [at] med [dot] uni-tuebingen [dot] de
Dr. Dorothea Alexander (Laborleiterin)
dorothea [dot] alexander [at] med [dot] uni-tuebingen [dot] de
Osiandersstr. 2-8
72076 Tübingen

Telefon: 07071 29-86174
Fax: 07071 29-3481