Kombination von neuester Nanotechnologie mit uraltem Menschheitswissen

Silber, Blut und Spinnenseide

Beim Versuch, natürliche biologische Funktionen nachzuahmen oder Defekte im menschlichen Körper zu kompensieren, haben Materialforscher oft sehr unterschiedliche Ausgangspunkte: Sie kombinieren neueste Nanotechnologie mit uraltem Menschheitswissen, sie ahmen die Natur mit künstlichen Substanzen verblüffend genau nach oder stützen sich kunstvoll auf den Naturstoff, wo der Kunststoff versagt.


Die Gefährdungen durch bakterielle Keime in Krankenhäusern nehmen immer mehr zu. Um die Ausbreitung pathogener Stämme, die vielfach gegen Antibiotika resistent sind, zurückzudrängen, wird intensiv nach neuen Abwehrmitteln gesucht. Dass sich die Basis für Neues oft in Altbewährtem finden lässt, an diese Einsicht hat das Team um Prof. Wendelin J. Stark in Zürich angeknüpft. Bis ins Altertum lassen sich Berichte zurückverfolgen, welche die desinfizierende Wirkung von Gefäßen und Instrumenten aus Silber beschreiben.
Die Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) haben nun eine Kunststofffolie entwickelt, die mit Nanopartikeln aus Silber und Calciumphosphat beschichtet ist. Die 20 bis 50 Nanometer kleinen Calciumphosphat-Kügelchen sind gewissermaßen der Köder, den die Bakterien aufnehmen. Die Mikroorganismen führen ihrem Stoffwechsel aktiv das Calcium zu, da das Metall ihren Zellwänden als Stabilisierungselement dient. Bei der Zersetzung der winzigen Calciumphosphat-Päckchen nach der Aufnahme werden jedoch zu Tausenden noch kleinere, aus Silber bestehende Partikel frei.

Diese Silberteilchen, mit einem Durchmesser von ein bis zwei Nanometern, wirken sich offenbar hemmend auf den Nährstofftransport in den Bakterienzellen aus, stören die Zellteilung und unterbinden dadurch letztlich die Vermehrung der Bakterien. An Versuchen mit E.coli-Stämmen konnte demonstriert werden, wie außerordentlich wirksam die Methode funktioniert. Die Folie mit den Nanopartikeln erwies sich – im Vergleich zu herkömmlichen Silberpräparaten – als das bis zu tausendfach wirksamere Bakterizid.
Zur Natur der antiseptischen Kunststofffolie, die die Calciumphosphat-Nanopartikel beinhaltet. „Es handelt sich” so Dr. Halim Samuel, Mitarbeiter bei Prof. Stark, „einerseits durch die kleine Größe, andererseits wegen der speziellen metastabilen Form eigentlich um nichts anderes als als teil-lösliches Knochenmaterial.” Die noch kleineren Silber-Nanopartikel verteilen sich während des Partikel-Produktionsprozesse homogen über die ganze Calciumphosphat-Oberfläche, was zu der bisher unerreichten Effizienz der Partikel führt.

Aus der Folien-Entwicklung entstand die Spin-off-Firma ‚Nanograde’, die sich auf die großtechnische Produktion von Nanopartikeln spezialisiert. Zusammen mit der Firma ‚Perlen Converting’ (Luzern/Schweiz), die bereits an der Entwicklung der Polymerfolie beteiligt war, werden die selbstdesinfizierenden Folien produziert. In Kliniken sollen sie für Sanitäreinrichtungen, Betten, Türklinken und an anderen Punkten häufiger Keimübertragung eingesetzt werden. Die Hightech-Folie behält ihre Eigenschaften nach unzähligen Waschvorgängen bei, die Dauer der Effizienz variiert mit der Art der Anwendung.

Natur wächst bestens auf Natur
Die Luftröhre (Trachea) ist ein etwa zwölf Zentimeter langer, durch Knorpelstangen stabilisierter Muskelschlauch, der vom Kehlkopf bis zu den Bronchien reicht. Bei Patienten, bei denen die lebenswichtige Funktion dieses Organs durch einen Tumor oder einen anderen Defekt bedroht ist, können davon durch einen chirurgischen Eingriff heute auch längere Stücke ersetzt werden. Frühere Versuche von Medizinern und der medizinischen Industrie, einen möglichst geeigneten Luftröhren-Ersatz unter Kunststoffmaterialien zu finden, blieben wenig befriedigend. „Es gab Experimente mit Silikon und einigen anderen körperfremden Materialien”, so die Auskunft des Arztes Thorsten Walles „doch an der Nahtstelle zum restlichen Luftröhrengewebe traten immer Probleme auf.” Schuld daran, dass die Trachea dort nicht an das Implantat anwächst, ist die anspruchsvolle Blutversorgung des Organs. Offenbar kann sich das für den Wundheilungsprozess erforderliche feinverästelte Gefäßnetz an dieser Stelle nicht genügend ausbilden.

Ein weiterer Mangel der verwendeten synthetischen Prothesen besteht darin, dass sich an ihren Oberflächen das Luftröhren-typische Flimmerepithel nicht ausbilden konnte. Dadurch kam es bei den Patienten häufig zu lebensbedrohlichen Infektionen: Das von den Atemwegen gebildete Sekret staute sich in diesen Fällen einfach in den Bronchien, statt in den Rachenraum zu gelangen.

In Kooperation mit Prof. Heike Mertsching vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) wird jetzt ein viel versprechender Ansatz verfolgt. An dem Stuttgarter Institut wird eine Bioprothese entwickelt, die aus patienteneigenen Zellen aufgebaut wird. Die Vorläuferzellen für das Endothel werden mittels Biopsie aus Bindegewebszellen sowie aus dem Blut des Patienten gewonnen. Als Trägerstruktur für die im Labor kultivierten Zellen dient dann ein Stück Schweine-Dünndarm, der mit seinem röhrenförmigen Aufbau der Struktur einer Trachea sehr nahe kommt. Der Schweinedarm wird im Labor von seinen Zellen befreit, so dass nur das dreidimensionale Bindegewebsgerüst und die Blutgefäße übrig bleiben. Dank der großen Ähnlichkeit der Proteinstruktur des Bindegewebes bei Mensch und Schwein sind immunologische Abstoßungsreaktionen kaum zu erwarten. Entscheidender Punkt des Verfahrens ist es, die optimalen zellphysiologischen Bedingungen dafür zu finden, um im Bioreaktor einen bioartifiziellen Luftröhrenersatz aufzubauen.

Dem Thoraxchirurgen Walles führte bereits die Transplantation einiger kleiner Stücke bioartifiziellen Gewebes durch. Bei einem Patienten gelang sogar schon das problemlose Einwachsen von Gewebe, auf dem sich dann Flimmerepithel gebildet hat. Da das Problem der Blutversorgung inzwischen hinreichend gelöst ist, steht als nächster Schritt das Verpflanzen eines kompletten, längeren Röhrensegments auf dem Programm.

Nahe Blutsverwandte gesucht
Doch nicht immer hilft die Natur allein. In vielen Fällen benötigt man synthetische Werkstoffe, die Strukturen und Funktionen lebender Materie nachbilden; man nennt sie biomimetische Materialien. Beispielsweise dient die Kristallstruktur der Perlmuttschicht bei Meeresschnecken als Anschauungsmaterial für Synthesestrategien, um widerstandsfähige Autolacke oder Knochenersatzsubstanzen für medizinische Anwendungen zu entwickeln (wie Prof. Dirk Volkmer, Universität Ulm). Aufgrund ihrer variablen physikalischen und chemischen Eigenschaften sind Polymere ein besonders geeigneter Grundstoff für biomimetische Verbindungen. Sie lassen sich zu Molekülarchitekturen aus natürlichen und künstlichen Elementen kombinieren, die zu Interaktionen mit hoher Spezifität fähig sind.
Artifizielle Materialoberflächen biomedizinischer Produkte, wie Membranen für Blutreinigungsverfahren, Katheder oder künstliche Gefäße weisen häufig eine zu geringe Hämokompatibilität auf. Durch Interaktionen des Blutes mit der Oberfläche können unerwünschte Komplikationen auftreten: Blutgerinnungsreaktionen (Koagulation) sowie immunologische Abwehrreaktionen, die beispielsweise Entzündungen hervorrufen. Ein Ansatz, um hier zu befriedigenden Lösungen zu kommen, ist der Versuch, biomimetische Beschichtungen zu entwickeln, die natürlich vorkommende Hemmstoffe und synthetische Inhibitoren einbeziehen.

In dem laufenden Projekt ‚Hämokompatible Oberflächen’ am Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden (Arbeitsgruppe Dr. Carsten Werner am Max Bergmann Zentrum für Biomaterialien) werden systematisch die Mechanismen der Wechselwirkungen zwischen Modellsubstraten und humanem Vollblut untersucht. Als Modelle dienen dünne Filme von Poly(octadecen) beziehungsweise Poly(ethylen) oder Poly(propylen)maleinsäurecopolymeren oder selbstassoziierende Alkylthiol-Monoschichten (SAM). Glas und PTFE werden als interne Referenzmaterialien verwendet.

„Ein besonderes Augenmerk gilt dabei” so betont Dr. Claudia Sperling „den molekularen Auslösern der plasmatischen und zellulären Abwehr, die durch die physikochemischen Eigenschaften der Materialoberflächen initiiert werden.” Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse werden dann Beschichtungsstrategien für blutkompatible Materialien entwickelt. Als antikoagulante Beschichtungen testen die Dresdner Forscher natürliche (z.B. Thrombomodulin) sowie synthetische direkte Gerinnungsinhibitoren (Benzamidin-Derivate, Peptide) und persulfatierte Strukturen mit biomimetischem Wirkprinzip (sulfatierte Saccharide, heparinähnlicher Inhibitor).

Synthetische Gene spinnen
Spinnenseide ist extrem dehnbar und reißfest. Weiterhin hat das Naturmaterial die erfreuliche Eigenschaften, biologisch abbaubar und verträglich zu sein. Auch als Allergieauslöser ist es bislang nicht in Erscheinung getreten, was gerade für denkbare medizinische Anwendungen von Vorteil ist. Aufgrund der außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften der Spinnenseide gab es immer wieder, allerdings vergebliche, Versuche, die Geheimnisse ihrer Zusammensetzung zu enträtseln und den „Lehrmeister Natur” nachzuahmen. Auch alle Bemühungen, an den begehrten Stoff in größeren Mengen zu gelangen, indem man entsprechende Spinnentiere massenhaft züchtet, waren stets an der kannibalischen Lebensweise der haarigen Achtbeiner gescheitert.

Auch nachdem man, dank der Fortschritte der Genforschung, die Gene für die Seidenproduktion der Spinne identifiziert und sequenziert hatte, blieben die Versuche einer Serienproduktion unbefriedigend. Selbst unter den häufig für solche Zwecke eingesetzten Bakterienstämmen (E.coli) oder bei Insekten waren keine effektiv arbeitenden Expressionssysteme zu finden. Erst Prof. Thomas Scheibel, der heute am Institut für Biomaterialien der Universität Bayreuth arbeitet, fand den Trick, mit dem der entscheidende Schritt nach vorne gelang. Der vormals an der Münchner TU tätige Biomaterialforscher hat die Sequenzen der Gene, die die Baupläne für die Spinnenseiden-Proteine enthalten, so in synthetische Gene umgeschrieben, dass sie nun von Bakterienzellen effektiv exprimiert werden und die Seidenproteine im Industriemaßstab produziert werden können.
Mögliche medizintechnische Anwendungen des biokompatiblen Materials sind beispielsweise Nahtmaterialien für die Chirurgie, Oberflächenbeschichtungen für Implantate, antibakterielle Verpackungsmaterialien oder die Herstellung von Kapseln, in denen Medikamentenwirkstoffe bis an den Zielort im Körper transportiert werden können. Prof. Scheibel hat bereits, zusammen mit einem früheren Mitarbeiter und seiner ehemaligen Wirkstätte, der Technischen Universität München, die Firma AMSilk GmbH gegründet. Diese wird sich künftig um die industrielle Produktion der Spinnenseide und deren Vermarktung kümmern.

Und die Natur wird weiter nach geeigneten Materialien durchforstet: In einem aktuellen Projekt wird Muschelseide, ein fadenförmiges Sekret von Muscheln, auf seine Eigenarten hin erforscht. -Dr. Helmut Bruckner-