Impulse aus der Biotechnik für die Arthrosetherapie

Unter Strom: neue Heilungsmethode
bei Knorpelschäden?

Arthrose ist eine Krankheit, die unsere Zivilisation begleitet. So soll beispielsweise schon der Renaissance-Künstler Michelangelo Buonarotti daran gelitten haben 1). In ihren Möglichkeiten der Heilung ist die Menschheit in den letzten fünfhundert Jahren nicht viel weiter gekommen. Zwar können die Patienten heute die Auswirkungen ihrer Erkrankung durch verschiedene moderne Therapieformen oftmals besser ertragen, eine Heilung gilt bis heute als nicht möglich. Es gibt jedoch immer mehr Forschungsansätze, die diese vorherrschende Meinung in der Wissenschaft infrage stellen.

Die typischen Symptome einer Arthrose sind Schädigungen der Knorpel an den Gelenken. Im gesunden Zustand verhindert das Knorpelgewebe, dass die Knochen in den Gelenken aufeinander reiben. Außerdem verteilt es die durch Bewegung einwirkende mechanische Belastung gleichmäßig auf das Gelenk.

Die Gründe für Verschleißerscheinungen des Knorpelgewebes können vielfältig sein. Eine Kombination aus einem Mangel an Bewegung2), fortschreitendem Alter, Gewebeveränderung und Entzündung sind oft die entscheidenden Faktoren 3).

Veröffentlichung

Liu et al. (2022). Exercise-induced piezoelectric stimulation for cartilage regeneration in rabbits. Science translational medicine, 14(627), eabi7282. Epub 2022 Jan 12. Externer Link Icon

Neue Behandlungsperspektiven aus Sicht der Biotechnik

Die Biotechnik hat nun einen spektakulären Beitrag zur Erforschung der Knorpelregeneration geleistet. Bioingenieure an der University of Connecticut in Storrs, Connecticut, USA, veröffentlichten Anfang des Jahres 2022 eine vielversprechende Studie. Ihr Forschungsansatz beschäftigt sich mit der Frage, wie die Aktivierung der körpereigenen Heilkräfte in dem geschädigten Gelenk selbst gesteigert werden könnte.  Das Forschungsteam um Thanh Nguyen und Yang Liu widmet sich schon seit mehreren Jahren dem Thema Knorpelregeneration. Bei ihren Untersuchungen haben sie einen weiteren Schlüsselfaktor für Knorpelwachstum entdeckt: elektrische Signale. Mit Hilfe dieser elektrischen Signale gelang ihnen ein sensationeller Heilungserfolg: Bei einem sprichwörtlichen Versuchskaninchen wuchs Knorpelgewebe im Knie nach 4).

Zellkulturen unter elektrischer Spannung

Zunächst experimentierten die Forscher mit Knorpelgewebe im Labor. Sie bauten in ihrer Versuchsanordnung ein konstantes schwaches elektrisches Feld über einer Zellkultur auf. Dieser Forschungsansatz brachte ein bemerkenswertes Ergebnis: Die elektrischen Ströme stimulierten die Zellkultur so stark, dass sie neues Knorpelgewebe ausbildete.

Der perfekte Baustein für die Lösung mehrerer Probleme

Nun galt es eine Lösung dafür zu finden, wie diese elektrische Spannung im Körper eines Lebewesens erzeugt werden kann. Schließlich lässt sich nicht einfach eine Batterie an ein an Arthrose erkranktes Gelenk anschließen, um die erforderliche elektrische Spannung zu erzeugen. Das Forschungsteam stellte fest, dass sich Nanofasern aus sogenannter Polymilchsäure, auf Englisch Poly-L-Lactic Acid, kurz PLLA genannt, hervorragend dafür eignen. PLLA hat zwei Eigenschaften, die entscheidend zu einer erfolgreichen Anwendung beitragen können: Zum einen ist PLLA biologisch abbaubar, das bedeutet, es löst sich nach einiger Zeit im Körper vollständig in kleinere unschädliche Bausteine, die vom Organismus weiterverarbeitet werden, auf. PLLA wird oft bei chirurgischen Eingriffen verwendet, beispielsweise zum Vernähen von Wunden. Nach dem Zusammenwachsen einer Operationswunde haben sich die Fäden vollständig abgebaut und müssen nicht mehr gezogen werden. Die zweite Eigenschaft, die PLLA für einen Einsatz in der Arthrosetherapie besonders attraktiv macht, ist seine Fähigkeit, unter mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Man spricht hier von einem piezoelektrischen Effekt. Verformt sich ein piezoelektrisches Material, entstehen auf seiner Oberfläche schwache elektrische Spannungen.

Knorpelwachstum auch beim lebenden Organismus

In einem nächsten Schritt ging es darum, herauszufinden, ob die Entdeckung, dass Knorpelgewebe im Labor unter Aussetzung schwacher elektrischer Spannung zum Wachstum angeregt wird, auch bei einem lebenden Organismus feststellbar ist. Hier kam das Versuchskaninchen ins Spiel. Das Tier litt an einer Knieverletzung. Die Wissenschaftler implantierten PLLA-Gewebe in das erkrankte Kniegelenk. Nach einer vierwöchigen post-operativen Pause setzten sie das Tier auf ein Laufband. Unter Beobachtung absolvierte das Kaninchen ein moderates mehrwöchiges Lauftraining. Dabei passierte Folgendes: Das Kaninchen übte durch seine normalen Laufbewegungen bei jedem Schritt kurzzeitig Druck auf das PLLA-Gewebe aus. Durch diese mechanische Belastung verformte sich das PLLA leicht und erzeugte eine schwache elektrische Spannung. Diese reichte aus, um das Gelenk so stark zu stimulieren, dass neues Knorpelgewebe nachwuchs.

Knorpelregeneration durch Druckentlastung

Bereits 2011 zeigten niederländische Forscher, dass Knorpelregeneration bei Kniearthrose unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist. Mit einem Metallgestell verringerten sie den Druck zwischen den Gelenkflächen von Patienten, wodurch sich der Gelenkspalt vergrößerte und Regenerationsprozesse einsetzten. Die Ergebnisse machen Hoffnung, dass eine solche Druckentlastung auch ohne operative Eingriffe möglich sein könnte — beispielsweise durch die Senkung von Spannungen im muskulär-faszialen Gewebe.

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Im Bild sieht man zwei Paar Knie von Personen, die sich gegenüber sitzen. Über den Kniegelenken liegen die Hände der beiden Personen ab.

Beeindruckender Heilungserfolg

Nach Ende der Behandlungszeit war der Knorpel vollständig geheilt und das PLLA hatte sich aufgelöst. Zum einen blieb dadurch kein Fremdkörper im Gelenk zurück, der nicht mehr gebraucht wird oder sogar stört und durch eine weitere Operation wieder entfernt werden müsste. Zum anderen wird das Knorpelwachstum nicht über das Ende seiner erforderlichen Regenerationsphase hinaus stimuliert. Sonst bestünde die Gefahr, dass das Gewebe durch permanente elektrische Impulse weiter wächst und in dem Gelenk wuchert. Das PLLA-Gewebe wirkte wie ein Medikament, das abgesetzt wird, sobald es nicht mehr benötigt wird.

Ausblicke für die Arthrosetherapie

Das Forschungsteam will das Versuchskaninchen mindestens ein Jahr weiter unter Beobachtung halten und verfolgen, ob sich das Knorpelgewebe dauerhaft regeneriert hat. Nun stehen Versuche bei größeren Tieren an, die in Ausmaß und Gewicht eher mit menschlichen Maßen vergleichbar sind. Da Arthrose gehäuft bei älteren Personen auftritt, sollen auch ältere Tiere miteinbezogen werden, denn bei jüngeren Tieren verläuft der Heilungsprozess ähnlich wie bei Menschen schneller und umfassender. Sollte sich herausstellen, dass diese Therapie zur Knorpelregeneration auch bei älteren Tieren erfolgreich verläuft, könnte das ein Durchbruch in der Arthrosebehandlung werden. Diese Studie ist nur einer von verschiedenen vielversprechenden Ansätzen zu neuen Heilungsmöglichkeiten von Arthrose. In den letzten Jahren hat die Forschung auf diesem Gebiet große Fortschritte gemacht – mit hoffnungsvollen Ergebnissen. Unter anderem zeigte eine US-amerikanische Studie aus dem Jahr 2019, dass im menschlichen Knorpelgewebe tatsächlich Regenerationsprozesse stattfinden. Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass eine Heilung von Arthrose möglich sein könnte, wenn die entsprechenden Rahmenbedingungen geschaffen werden.

Quellen & Studien

  • ↑1 Lazzeri D, Castello MF, Matucci-Cerinic M, Lippi D, Weisz GM. Osteoarthritis in the hands of Michelangelo Buonarroti. Journal of the Royal Society of Medicine. 2016;109(5):180-183.
  • ↑2 Ian J. Wallace: Knee osteoarthritis has doubled in prevalence since the mid-20th century. in: PNAS 114 (2017). S. 9332–9336.
  • ↑3 Sacitharan, P. K., & Vincent, T. L. (2016). Cellular ageing mechanisms in osteoarthritis. Mammalian genome : official journal of the International Mammalian Genome Society, 27(7-8), 421–429.
  • ↑4 Liu, Y., Dzidotor, G., Le, T. T., Vinikoor, T., Morgan, K., Curry, E. J., Das, R., McClinton, A., Eisenberg, E., Apuzzo, L. N., Tran, K. T. M., Prasad, P., Flanagan, T. J., Lee, S. W., Kan, H. M., Chorsi, M. T., Lo, K. W. H., Laurencin, C. T., & Nguyen, T. D. (2022). Exercise-induced piezoelectric stimulation for cartilage regeneration in rabbits. Science translational medicine, 14(627), eabi7282.

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