Forschende der Universität Kiel entwickeln neuartige Gerüstmaterialien aus Quallenkollagen und Zinkoxid für die Regeneration von Gelenkknorpel. Zwei Ansätze sollen entweder die natürliche Knorpelstruktur nachbilden oder durch Bewegung elektrische Signale erzeugen. Perspektivisch ist die Entwicklung zum Medizinprodukt geplant.
Geschädigter Gelenkknorpel besitzt nur eine geringe Fähigkeit zur Selbstheilung. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) wollen deshalb neuartige Trägermaterialien entwickeln, die Knorpelzellen beim Aufbau neuen Gewebes unterstützen. Grundlage ist Kollagen aus Quallen, das mit speziell geformten Zinkoxid-Strukturen kombiniert wird. Dafür sind die beiden Forschungsprojekte AeroMarK und QPiezoR gestartet. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert die Kieler Vorhaben mit insgesamt rund 1,5 Millionen Euro. Beteiligt ist auch das Medizintechnikunternehmen AMIPLANT.
Für die Regeneration von Gelenkknorpel ist nicht nur entscheidend, dass sich Zellen vermehren. Sie sollen ihren sogenannten chondrogenen Phänotyp möglichst erhalten und hochwertigen hyalinen Knorpel bilden. Genau hier könnte Quallenkollagen Vorteile bieten. Nach Angaben der Kieler Forschenden fehlen ihm bestimmte Bindungsstellen, über die Knorpelzellen an Säugetierkollagen anhaften. Dadurch sollen die Zellen eher ihre charakteristische runde Form behalten. Verändern sie dagegen ihre Form und verlieren ihre Spezialisierung, kann eher mechanisch weniger belastbarer Faserknorpel entstehen. Dass Quallenkollagen grundsätzlich als Gerüstmaterial für Knorpelzellen interessant sein kann, zeigen auch frühere Laboruntersuchungen. Eine 2021 publizierte Studie beschrieb vergleichbare strukturelle Eigenschaften und eine ähnliche Immunreaktion wie bei Gerüsten aus Säugetierkollagen. In Zellkultur unterstützte das Material zudem die Einwanderung und Vermehrung von Knorpelvorläuferzellen sowie unter bestimmten Bedingungen deren chondrogene Differenzierung. Die Ergebnisse stammen allerdings aus präklinischen Laborversuchen und belegen noch keine Wirksamkeit beim Menschen.
AeroMarK: Zinkoxid formt das Kollagengerüst
Im Projekt AeroMarK nutzen die Forschenden tetrapodales Zinkoxid als temporäre Schablone. Die mikroskopisch kleinen Kristalle besitzen vier Arme und lassen sich zu dreidimensionalen Strukturen mit zahlreichen Hohlräumen verbinden. Gelöstes Quallenkollagen wird mit diesem Gerüst kombiniert, gefriergetrocknet und stabilisiert. Anschließend wird das Zinkoxid wieder herausgelöst. Übrig bleibt eine hochporöse dreidimensionale Matrix aus Quallenkollagen. Über Menge und Anordnung der Zinkoxid-Strukturen sowie die Vernetzung des Kollagens sollen sich Porengröße und Steifigkeit gezielt einstellen lassen. Bis zum Projektende im September 2028 will das Team mehrschichtige Gerüste herstellen, die verschiedene Zonen des natürlichen Gelenkknorpels nachbilden. Diese Prototypen sollen anschließend für präklinische Untersuchungen zur Verfügung stehen.
Einen technisch weitergehenden Ansatz verfolgt das Projekt QPiezoR. Hier wird das Zinkoxid nicht wieder entfernt, sondern bleibt Bestandteil des Materials. Der Grund ist seine piezoelektrische Eigenschaft: Wird Zinkoxid mechanisch belastet, kann es elektrische Signale erzeugen. Im Gelenk könnten solche Reize durch Kräfte entstehen, die beim Gehen und anderen Bewegungen auftreten. Die Forschenden wollen untersuchen, ob sich diese elektrische Aktivität nutzen lässt, um Knorpelzellen zur Gewebebildung anzuregen. Dafür müssen sich die Zinkoxid-Tetrapoden so miteinander verbinden, dass Signale durch das Material übertragen werden können. Bis Juni 2029 soll unter anderem in Zellkulturen untersucht werden, ob und unter welchen Bedingungen der Ansatz tatsächlich die Knorpelbildung beeinflusst.
Bei AeroMarK nutzen wir das Zinkoxid nur, um die Struktur des Kollagengerüsts vorzugeben
Prof. Rainer Adelung, Projektleiter, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Bei QPiezoR solle es dagegen zusätzlich elektrische Signale erzeugen und auf diese Weise möglicherweise die Knorpelbildung fördern. Langfristig denken die Projektpartner an ein Implantat beziehungsweise einen Patch, der in einen Knorpeldefekt eingebracht wird und dort eine geeignete Umgebung für die Bildung neuen Gewebes schafft.
Ein Teil der später benötigten Fertigungskette ist bereits vorhanden: Die aus der Kieler Arbeitsgruppe hervorgegangene Phi-Stone AG stellt das tetrapodale Zinkoxid industriell her. Die spätere Herstellung der regenerativen Materialien als Medizinprodukt ist nach Angaben der Universität bei AMIPLANT vorgesehen. Das Unternehmen ist bei AeroMarK assoziierter Industriepartner und bei QPiezoR Verbundpartner. Von einer klinischen Anwendung ist die Technologie allerdings noch deutlich entfernt. AeroMarK befindet sich derzeit in der Material- und Prototypenentwicklung; selbst die geplanten präklinischen Untersuchungen folgen erst in einem späteren Schritt. Bei QPiezoR muss zunächst grundsätzlich gezeigt werden, ob die elektrisch aktiven Materialien den gewünschten biologischen Effekt auf Knorpelzellen erzielen.
