"Leim" für Knochenbrüche aus Miesmuscheln

Meeresorganismen stellen Kleber her, die Turbulenzen im Wasser widerstehen können und den Bedingungen im menschlichen Körper entsprechen, was sie ideal geeignet zur Reparatur von Knochenbrüchen macht.

Zunehmend geht man davon aus, dass Siliziumdioxid bzw. "Bioglas" dem natürlichen Knochenmineral Hydroxylapatit bei solchen Reparaturen überlegen ist. Aufbauend auf früheren Studien zur Herstellung synthetischer Kleber für Weichgewebe forscht das EU-finanzierte Projekt "Marine inspired biosilica-filled hydrogels" (DIADOM) nun auch an deren Einsatz bei der Hartgeweberegeneration.

Die Forscher entwickelten ein modifiziertes NCL-Hydrogel-System (native chemische Ligation) mit einer Biosilica-Phase. NCL ist ein neuer Bereich der Synthesechemie für die Proteinsynthese. Zwei Peptidkomponenten bilden eine Peptidbindung an der Ligationsstelle, was eine zuverlässige und einfache Möglichkeit zur Herstellung reiner Proteine ist, die aus natürlichen Quellen schwer zu isolieren sind.

Das DIADOM-System verwendet Poly(ethylenglycol) (PEG)-Vorläufer für ein Polymernetzwerk, das keine zytotoxischen Eigenschaften hat. Das Biosilica stammt aus Meeresorganismen, die nachhaltig auf Basis von Nebenprodukten aus der Landwirtschaft gezüchtet werden. Das Biosilica-Hydrogelsystem geliert in weniger als 3 Minuten, wobei sich der Verformungswiderstand (Elastizitätsmodul) innerhalb von 24 Stunden nahezu verdreifacht. Wegen seiner schnellen Gelierung und einfachen Handhabung ist die Substanz vor allem zur schnellen Fixierung von Trümmerbrüchen geeignet.

Bei vorläufigen In-vitro-Experimenten wurde keinerlei Zytotoxizität nachgewiesen. Derzeit wird in Studien die zelluläre Antwort auf das Biogelsystem und dessen beim Abbau möglicherweise entstehende Zwischenprodukte untersucht. Die Prüfleiter werden Zytotoxizität, Entzündungsreaktionen und Knochenzelldifferenzierung an mehreren Modellsystemen untersuchen, u.a. an einer Makrophagenzelllinie und primären humanen Knochenmarksstromazellen mit osteogenen Vorstufen.

DIADOM demonstrierte die wichtigsten Vorteile von biomimetischem "Leim", mit dem schnell und einfach belastbare Verbindungen zwischen Knochen hergestellt werden können, und der eine überlegene Alternative zu herkömmlichem Hydroxylapatit darstellt. Das PEG-basierte Hydrogel mit Biosilica-Phase vereinfacht durch schnelle Gelierung die effektive Reparatur von Splitter- und Trümmerfrakturen. Von dieser Technik werden sowohl die Biomedizin als auch die Patienten profitieren.