Neue Hoffnung für Knochen und Gelenke: Forscher entwickeln regenerative Therapien

Knochen- und Skelettverletzungen sind weltweit eine der Hauptursachen für langfristige Behinderungen. Forscher der Universität Lund in Schweden haben eine zellfreie Knorpelstruktur entwickelt, die den Körper bei der Reparatur von Knochenschäden unterstützen soll. Der Studie zufolge kann dieses künstlich hergestellte Transplantat die Knochenheilung fördern, ohne starke Immunreaktionen auszulösen. Die Methode wurde bereits erfolgreich an Tiermodellen getestet, und die Forscher bereiten sich darauf vor, den Ansatz in Studien am Menschen zu evaluieren.

Große Knochenverletzungen erfordern oft Transplantationen

Wenn große Teile des Knochens zerstört oder entfernt werden, kann es dem Körper schwerfallen, den Schaden aus eigener Kraft zu beheben. Dies kann nach einer Krebsbehandlung, bei schweren Gelenkerkrankungen wie rheumatoider Arthritis und Arthrose oder bei schweren Infektionen der Fall sein. In diesen Fällen ist oft eine Knochentransplantation erforderlich, um Struktur und Funktion wiederherzustellen.

Forscher schätzen, dass weltweit jedes Jahr mehr als zwei Millionen Menschen Knochentransplantationen benötigen. Aktuelle Behandlungsmethoden basieren in der Regel auf der Verwendung von patienteneigenem Gewebe oder Zellen zum Wiederaufbau des Knochens. Dieser Ansatz kann zwar funktionieren, ist jedoch kostspielig, zeitaufwendig und kann die körperliche Belastung der Patienten zusätzlich erhöhen. Außerdem trägt er zu steigenden Gesundheitskosten bei, wie die Forscher anmerken.

Auf dem Weg zu einer universellen Technologie zur Knochenregeneration

„Patientenspezifische Transplantate sind sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig und führen nicht immer zum Erfolg. Ein universeller Ansatz im Tissue Engineering mit einem reproduzierbaren Herstellungsverfahren bietet erhebliche Vorteile. In unserer Studie stellen wir genau eine solche Methode vor und zeigen wichtige Fortschritte auf dem Weg zu einer nicht patientenspezifischen Technologie“, sagte Alejandro Garcia Garcia, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich der molekularen Skelettbiologie an der Universität Lund. Um diese neue Methode zu entwickeln, züchtete das Team zunächst Knorpelgewebe im Labor. Anschließend entfernten sie in einem als Dezellularisierung bezeichneten Verfahren alle lebenden Zellen daraus. Bei diesem Schritt bleibt die extrazelluläre Matrix zurück, das natürliche Gerüst, das die Zellen im Gewebe umgibt und sowohl strukturelle Unterstützung als auch biologische Signale liefert.

Da dieses Gerüst intakt bleibt, enthält es weiterhin Wachstumsfaktoren, die die körpereigenen Zellen lenken können. Wird die verbleibende Knorpelstruktur an einer Verletzungsstelle platziert, kann sie wie eine Blaupause wirken, die dem Körper hilft, den beschädigten Knochen Schritt für Schritt wieder aufzubauen.

„Die von uns entwickelte Knorpelstruktur basiert auf stabilen, gut kontrollierten und reproduzierbaren Zelllinien und kann die Knochenbildung anregen, ohne starke Immunreaktionen auszulösen. Wir zeigen, dass es möglich ist, ein fertiges, sogenanntes ‚Off-the-Shelf‘-Transplantat herzustellen, das mit dem Immunsystem interagiert und große Knochendefekte reparieren kann. Da das Material im Voraus hergestellt und gelagert werden kann, sehen wir darin einen wichtigen Schritt hin zum künftigen klinischen Einsatz von Transplantaten aus menschlichem Knochengewebe“, so Paul Bourgine, der die Studie leitete. Er ist außerordentlicher Professor und Forscher im Bereich der molekularen Skelettbiologie an der Universität Lund.

Vorbereitung auf klinische Studien am Menschen

Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass das Knorpelgerüst im Voraus hergestellt und bei vielen Patienten eingesetzt werden kann, ohne es individuell anpassen zu müssen. In der nächsten Forschungsphase wird der Schwerpunkt auf der Bewertung der Methode am Menschen liegen, während gleichzeitig die Produktion ausgeweitet und standardisiert wird.

„Der nächste Schritt besteht darin, zu entscheiden, bei welchen Arten von Verletzungen wir dies zunächst testen wollen, beispielsweise bei schweren Defekten an den langen Knochen der Arme und Beine. Gleichzeitig müssen wir die Unterlagen erstellen, die für die ethische Prüfung und die behördliche Zulassung zur Durchführung klinischer Studien erforderlich sind. Parallel dazu etablieren wir einen Herstellungsprozess, der in größerem Maßstab durchgeführt werden kann und dabei stets das gleiche hohe Qualitäts- und Sicherheitsniveau gewährleistet“, sagte Alejandro Garcia Garcia.

Eine Injektion hat Arthrose innerhalb weniger Wochen rückgängig gemacht

Forscher der University of Colorado Boulder, der CU Anschutz und der Colorado State University haben eine Reihe experimenteller Behandlungsmethoden entwickelt, die dazu beitragen könnten, dass sich alternde und geschädigte Gelenke innerhalb weniger Wochen selbst regenerieren. Die Therapien haben in Tierversuchen vielversprechende Ergebnisse gezeigt: Sie konnten Anzeichen von Arthrose rückgängig machen und die Gesundheit der Gelenke wiederherstellen. Zu den neuen Ansätzen gehören eine regenerative Injektion, die direkt in ein Gelenk verabreicht wird, sowie ein auf Biomaterialien basierendes Reparatursystem, das die körpereigenen Zellen dazu anregt, geschädigten Knorpel wieder aufzubauen.

„Innerhalb von zwei Jahren ist es uns gelungen, von einer kühnen Idee über die Entwicklung dieser Therapien bis hin zum Nachweis zu gelangen, dass sie Arthrose bei Tieren rückgängig machen“, sagte die leitende Forscherin Stephanie Bryant, Professorin für Chemie- und Bioingenieurwesen an der CU Boulder. „Unser Ziel ist es nicht nur, Schmerzen zu behandeln und das Fortschreiten der Erkrankung aufzuhalten, sondern diese Krankheit endgültig zu besiegen.“

Ein neuer Ansatz zur Behandlung von Arthrose

Arthrose betrifft weltweit etwa jeden Sechsten über 30 Jahren. Die Erkrankung führt zu einem allmählichen Abbau des Knorpels, jenem Polstergewebe, das verhindert, dass Knochen aneinander reiben. Mit fortschreitender Erkrankung kann sie auch den Knochen schädigen, die Gelenkstruktur verändern und alltägliche Bewegungen zunehmend schmerzhaft machen. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten sind begrenzt. Die meisten Patienten lindern die Symptome entweder durch Schmerztherapie oder unterziehen sich schließlich einer Gelenkersatzoperation. Derzeit gibt es keine Heilung für die Krankheit. Die Forscher aus Colorado verfolgen zwei verschiedene Strategien, um diese Situation zu ändern.

Eine Behandlungsmethode nutzt ein bereits von der Food and Drug Administration zugelassenes Medikament in einer neuen Anwendung. Bryant und ihre Kollegen entwickelten ein patentiertes Partikel-Abgabesystem, das in ein Gelenk injiziert werden kann und dort über mehrere Monate hinweg regelmäßig Dosen des Medikaments freisetzt. Für Patienten mit umfangreicheren Schäden an Knorpel oder Knochen entwickelte das Team eine separate Therapie, die aus gentechnisch hergestellten Proteinen besteht. Das Material wird arthroskopisch verabreicht, härtet an der Einbringungsstelle aus und zieht körpereigene Vorläuferzellen an, um den geschädigten Bereich zu reparieren.

Schnelle Gelenkreparatur in Tierversuchen

Als die Forscher die injizierbare Behandlung an Tieren mit Arthrose und Gelenkverletzungen testeten, kehrten die betroffenen Gelenke innerhalb von vier bis acht Wochen in einen gesunden Zustand zurück. Auch das Reparaturmaterial lieferte beeindruckende Ergebnisse. Laut Bryant führte das Auffüllen von Defekten in Knorpel oder Knochen zu einer „vollständigen Regeneration und Reparatur des Defekts“. Die Therapien zeigten zudem regenerative Wirkungen in menschlichen Zellen, die von Patienten stammten, die sich einer Gelenkersatzoperation unterzogen hatten. NITRO war das erste von ARPA-H ins Leben gerufene Programm und wurde ins Leben gerufen, um „minimalinvasive Therapeutika zu entwickeln, die geschädigte Gelenke vollständig regenerieren“. Vor zwei Jahren bewilligte das Programm dem Team aus Colorado bis zu 33,5 Millionen US-Dollar – vorbehaltlich positiver Ergebnisse –, um dieses Ziel zu verfolgen. Mit dem erfolgreichen Abschluss der ersten Phase sind die Forscher nun in die zweite Phase vorgerückt.

Dr. Evalina Burger, Professorin und Vorsitzende der Abteilung für Orthopädie an der CU Anschutz, erklärte, dass Arthrose Menschen aus allen Gesellschaftsschichten betrifft. Sie hat erlebt, wie die Krankheit Großeltern beeinträchtigt, die aufgrund von Schulterschmerzen mit einfachen Alltagsaufgaben zu kämpfen haben, ebenso wie Sportler, die wegen Knie- oder Rückenproblemen gezwungen sind, das Laufen, Eishockey und andere Aktivitäten aufzugeben. „Derzeit haben viele Patienten entweder die Wahl zwischen einer massiven, teuren Operation oder gar nichts. Dazwischen gibt es nicht viel“, sagte Burger, die die Forschung des Teams mit Interesse verfolgt hat. „Deshalb ist ARPA-H so wichtig.“

Burger und Bryant stellen sich eine Zukunft vor, in der Menschen mit Arthrose im Frühstadium eine erschwingliche einmalige Behandlung erhalten könnten, die ihre Gelenke über Jahre hinweg gesund hält. Bei Patienten mit lokalisierten Knorpel- oder Knochenverletzungen könnte das geschädigte Gewebe möglicherweise bereits bei einem einzigen Arztbesuch repariert werden, sodass sie sich schnell erholen könnten. Die Forscher planen, die Ergebnisse ihrer Tierstudie noch in diesem Jahr in einer Fachzeitschrift mit Peer-Review zu veröffentlichen. Außerdem haben sie das Unternehmen Renovare Therapeutics Inc. gegründet, um die Technologie in die kommerzielle Nutzung zu überführen. Sollten künftige Forschungsarbeiten weiterhin positive Ergebnisse liefern, könnten laut Bryant klinische Studien bereits in 18 Monaten beginnen.