Was ist Tissue Engineering?

Tissue Engineering (deutsch: Gewebezüchtung) ist ein wichtiges Instrument, um zu verstehen, wie bestimmte Krankheiten entstehen und wie sie behandelt werden können. Therapien auf der Grundlage von Tissue-Engineering-Techniken sind in Europa bereits zugelassen. Was also ist Tissue Engineering? 

Was ist Tissue Engineering?

Tissue Engineering gehört zum Bereich Bioengineering. Bioengineering ist eine breit angelegte Disziplin, die Prinzipien aus der Biologie und dem Ingenieurwesen kombiniert. Es wird manchmal als ein ingenieurwissenschaftlicher Ansatz für das Studium der Biologie beschrieben. 

Im Gesundheitswesen leisten Bioingenieur*innen einen Beitrag in Bereichen wie Gerätedesign (beispielsweise was die Berücksichtigung aller mechanischen Kräfte, denen ein Gelenkimplantat standhalten muss, angeht), Physiotherapie (beispielsweise in Bezug auf Untersuchungen dahingehend, wie sich die Gewichtsbelastung auf die Heilung eines gebrochenen Knochens auswirkt) und Medikamentenverabreichung (beispielsweise beim Verständnis, wie schnell sich der Überzug einer Tablette zersetzt und wie schnell sie zu wirken beginnt).

Beim Tissue Engineering werden die biologischen, physikalischen und chemischen Kräfte untersucht, die bei der Gewebeentwicklung, bei Verletzungen und bei der Wundheilung eine Rolle spielen. Das Ziel des Tissue Engineering ist es, biologisches Gewebe wiederherzustellen, zu erhalten, zu verbessern oder zu ersetzen. Dazu muss man verstehen, wie der gesunde Zustand aussieht und wie man geschädigtes Gewebe durch Behandlungen wieder in diesen Zustand versetzen kann. Um dies zu erforschen, müssen Gewebeingenieure im Labor Zellen züchten, die sich wie gesunde, im Körper gewachsene Zellen verhalten (‚natives Gewebe‘).

Gewebeproben, die mithilfe von Tissue-Engineering-Techniken außerhalb des Körpers gezüchtet wurden, werden häufig als ‚Konstrukte aus Gewebezüchtung‘ bezeichnet.

Was ist der Unterschied zwischen Tissue Engineering und regenerativer Medizin?

Die Begriffe ‚Tissue Engineering‘ und ‚regenerative Medizin‘ werden häufig synonym verwendet. Beide befassen sich mit der Reparatur, der Erhaltung und der Wiederherstellung von biologischem Gewebe. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich das Tissue Engineering auf die Züchtung von Gewebe außerhalb des Körpers konzentriert. Bei der regenerativen Medizin geht es speziell darum, wie diese Tissue-Engineering-Techniken im Gesundheitswesen eingesetzt werden können, um Gewebe innerhalb des Körpers zu reparieren. 

Viele Forschungsarbeiten im Bereich des Tissue Engineering haben das langfristige Ziel, ein Konstrukt zu entwickeln, das in der Klinik eingesetzt werden kann. Die Tissue-Engineering-Forschung ist ein notwendiger erster Schritt bei Therapien der regenerativen Medizin. 

Was sind die Grundsätze des Tissue Engineering?

Die drei entscheidenden Elemente des Tissue Engineering umfassen die Verwendung: 

• von Stammzellen 
• eines biokompatiblen, dreidimensionalen Gerüsts 
• von bioaktiven Molekülen 

Stammzellen sind Zellen, die in der Lage sind, sich in mehr als einen Zelltyp zu entwickeln (zu differenzieren). Das bekannteste Beispiel sind embryonale Stammzellen, die sich in jede Art von Zelle im Körper verwandeln können. Stammzellen bei Erwachsenen können sich in verschiedene Zelltypen differenzieren, je nachdem, wo sie im Körper ihren Ursprung haben. So können sich beispielsweise aus Fettgewebe stammende Stammzellen in Knochen, Knorpel oder Fett sowie in andere Gewebetypen differenzieren. Welchen Weg eine Zelle einschlägt, hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von mechanischen Kräften (beispielsweise von Muskelbewegungen im sich entwickelnden Embryo) oder von der Einwirkung von Chemikalien (beispielsweise Signalmoleküle in der Blutbahn). Hier finden Sie weitere Informationen über die verschiedenen Arten von Stammzellen.

Gerüste sind dreidimensionale Strukturen, die das Wachstum von Stammzellen zu dem gewünschten Zell- oder Gewebetyp unterstützen. Im Labor werden Zellen oft auf flachen Oberflächen gezüchtet oder in einer Flüssigkeit suspendiert. Ein 3D-Gerüst entspricht eher der 3D-Umgebung des Körpers. 

Es ist wichtig, dass das in einem Gerüst verwendete Material biokompatibel ist, d. h. dass es das Gewebe, mit dem es in Berührung kommt, nicht schädigt. Das bedeutet, dass das Material nicht giftig sein darf, aber auch, dass es nicht mit der Zeit in kleine Teile zerfallen darf, die das Gewebe reizen könnten. Zu den Materialien, die in Gerüsten für das Tissue Engineering verwendet werden, gehören Kollagen oder bestimmte Proteinketten (Proteoglykane). 

Gerüste für das Tissue Engineering müssen zudem porös sein. Stammzellen können nur auf der Außenseite des Gerüsts beschichtet (ausgesät) werden. Daher ist es wichtig, dass das Gerüst porös genug ist, damit sich die Zellen beim Wachstum nach innen zum Kern hinbewegen können. Wenn das Konstrukt nur an der Außenseite Zellen hat und keine im Kern, wird es sich nicht wie normales Gewebe verhalten. 

Bioaktive Moleküle sind Stoffe, die eine Wirkung auf lebendes Gewebe haben. Beim Tissue Engineering kann es sich um Signalmoleküle oder Wachstumsfaktoren handeln, die die Differenzierung einer Stammzelle beeinflussen können. Diese bioaktiven Moleküle können in der Nährstoffmischung enthalten sein, die für das Wachstum der Zellen im Labor verwendet wird. Sie können auch während der Herstellungsphase in das 3D-Gerüst eingearbeitet werden. 

Die Forscher*innen untersuchen auch, wie bioaktive Moleküle eingesetzt werden könnten, um Implantate aus Gewebezüchtungen effektiver zu machen. Ein Gerüst könnte beispielsweise ein Medikament freisetzen, das Entzündungen hemmt oder die Einbettung der implantierten Zellen an der Implantationsstelle fördert. 

Wie kann Tissue Engineering in der Forschung zur Entwicklung von Gen- und Zelltherapien eingesetzt werden?

Mithilfe von Tissue-Engineering-Techniken werden im Labor ‚Modelle‘ von Gewebe gezüchtet. Diese können in der Forschung vielfältig eingesetzt werden. 

• Untersuchung der normalen Gewebeentwicklung. Mithilfe der Gewebezüchtung können die Forscher sehen, wie sich bestimmte Gewebetypen aus Stammzellen entwickeln. Indem sie die Umgebung kontrollieren, können sie beobachten, wie sich bestimmte Veränderungen auf das sich entwickelnde Gewebe auswirken. Auf diese Weise können sie sehr spezifische Fragen beantworten. Bei der Durchführung einer Studie an Tieren oder Menschen gibt es immer unbekannte Faktoren, die nicht kontrolliert werden können. In einem Modell aus Gewebezüchtung können die Forscher Veränderungen in der Umgebung kontrollieren und die Ergebnisse genau messen. 
• Untersuchung von Krankheiten auf Gewebeebene. Die Wissenschaftler können die Laborumgebung so gestalten, dass sie einer bestimmten Krankheit ähnelt. (Um beispielsweise zu verstehen, wie sich Arthritis auf die Entwicklung und Reparatur von Knorpelgewebe auswirkt, können Wissenschaftler der Nährstoffmischung Entzündungsmoleküle hinzufügen). Eine andere Möglichkeit, eine Krankheit auf Gewebeebene zu untersuchen, besteht darin, Zellen von Patienten mit der Krankheit zu sammeln und die Entwicklung ihres Gewebes mit Zellen von gesunden Patienten zu vergleichen. 
• Testen von Therapien. Mit Konstrukten aus Gewebezüchtung können Medikamente getestet werden, um zu bestätigen, dass sie für einen bestimmten Gewebetyp sicher sind, oder um zu sehen, welche Wirkung sie auf ein Krankheitsmodell haben. 

Aktuelle und potenzielle therapeutische Anwendungen

Tissue Engineering wird bei den folgenden zugelassenen Therapien eingesetzt: 

• Spherox (CO.DON.AG, 2017 in der EU zugelassen), das zur Behandlung von Knorpelschäden in Kniegelenken eingesetzt wird. Bei dieser Therapie werden dem Patienten Zellen entnommen und dann Zellen isoliert, die sich in Knorpel verwandeln können. Im Labor werden diese zu kugelförmigen Zellklumpen (Sphäroiden) gezüchtet. Diese Sphäroide werden in die Knorpeldefekte implantiert, wo sie sich mit dem Knorpel verbinden. Zusammen mit einem Physiotherapieprogramm können diese Implantate den Defekt im Laufe der Zeit auffüllen, sodass die Schmerzen abnehmen und die Beweglichkeit verbessert wird. 

Die Forscher*innen untersuchen auch, ob künstlich hergestelltes Gewebe für Gewebetransplantate oder Implantate in folgenden Fällen verwendet werden könnte: 

• Technische Haut zur Behandlung schwerer Brandverletzungen 
• Entwicklung von Herzklappen für Menschen mit Herzklappenerkrankungen 
• Entwicklung von Nervengewebe zur Reparatur beschädigter oder durchtrennter Nerven 
• Entwicklung von Blutgefäßgewebe 
• Entwicklung von Knochengewebe als Ersatz für durch Verletzungen oder Infektionen verlorene Knochen 
• Entwicklung von Darmgewebe zur Behandlung des Kurzdarmsyndroms 

Diese Liste ist bei weitem nicht vollständig. Die Forschung im Bereich Tissue Engineering hat Auswirkungen auf die Behandlung von angeborenen Erkrankungen, krankem Gewebe und Verletzungen. 

Wie sehen die Herausforderungen beim Einsatz von Tissue Engineering zur Entwicklung von Therapien aus?

• Gewinnung geeigneter Zellen. Da Gewebe eine Mischung aus verschiedenen Zelltypen ist, müssen Forscher Methoden entwickeln, um die richtige Art von undifferenzierten Zellen von Patienten oder Spendern zu sammeln und zu isolieren, da sich sonst nicht der richtige Gewebetyp entwickelt. 
• Verstehen, welche Faktoren die Zelldifferenzierung beeinflussen. Der menschliche Körper ist für Zellen eine viel kompliziertere Umgebung als ein Labor, in dem alle Chemikalien, Nährstoffe und physikalischen Kräfte kontrolliert werden können. Das bedeutet, dass ein im Labor gezüchtetes Gewebe einer anderen Umgebung ausgesetzt ist, wenn es in den Körper implantiert wird. Die Wissenschaftler müssen das Umfeld des Körpers verstehen, um zu vermeiden, dass sich das Implantat in den falschen Zelltyp differenziert (z. B. Knochen statt Knorpel). 
• Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften eines Gewebes. Die Fähigkeit, einen bestimmten Gewebetyp zu züchten, reicht nicht unbedingt aus. Manche Gewebe verhalten sich in verschiedenen Körperregionen unterschiedlich. So unterscheiden sich beispielsweise die mechanischen Eigenschaften von Knorpel an der Oberfläche eines Gelenks von denen des Knorpels unmittelbar neben dem Knochen. Das bedeutet, dass ein Implantat für einen tiefen Knorpeldefekt die gleiche Reichweite wie der native Knorpel haben würde. 
• Zellintegration an der Implantatstelle. Um das Implantat vollständig zu verankern, müssen das künstliche Gewebe und das native Gewebe ineinander ‚hineinwachsen‘ und sich miteinander verflechten. Wenn ein Implantat aus Gewebezüchtung nicht in den Körper integriert wird, kann die Stelle nicht richtig heilen. 
• Bewertung der langfristigen Auswirkungen implantierter Zellen. Wie bei jeder neuen Technologie müssen die Forscher die implantierten Konstrukte aus Gewebezüchtung langfristig überwachen, um sicherzustellen, dass sie sicher und vorhersehbar sind. 

Weitere Informationen

Tissue Engineering und Regenerative Medizin, NIH - https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/tissue-engineering-and-regenerative-medicine 

Weitere Einzelheiten finden Sie hier: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2475566/