Forschungsprojekte

Wenn wir gehen, laufen oder springen, muss Knorpel in unseren Gelenken großen Belastungen standhalten. Nach einer Verletzung oder bei Arthrose kann dieser sich jedoch im Erwachsenenalter kaum selbst erneuern. Der Körper bildet stattdessen Faserknorpel – eine Art Notfallpflaster, um den nackten Knochen zu schützen. Dieser kann Druck und Stauchungen an Gelenkflächen schlechter abfangen und gleitet schlechter als echter Knorpel. Sogenannter hyaliner Knorpel kann dagegen enormen Druckbelastungen standhalten und ist der perfekte, reibungsarme Stoßdämpfer für unsere Gelenke. Forschende suchen deshalb nach Materialien, die im Körper die Bildung von neuem hochwertigem Knorpelgewebe unterstützen.

Eine besondere Rolle bei der Regenerationsfähigkeit von Knorpelzellen spielt Kollagen, ein wichtiger Baustoff im Gewebe von Tieren. Auch Quallen haben dieses Strukturprotein – und ausgerechnet ihr Kollagen könnte helfen, neue Materialien für die Knorpelregeneration zu entwickeln. An der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel sind dazu nun gleich zwei Forschungsprojekte unter der Leitung von Professor Rainer Adelung gestartet. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert „AeroMarK“ und „QPiezoR“; die CAU erhält dafür insgesamt rund 1,5 Millionen Euro.

Damit aus Quallenkollagen ein Material für die Knorpelneubildung wird, kombinieren die Forschenden es mit einem weiteren Werkstoff: tetrapodalem Zinkoxid. Es besteht aus winzigen Kristallen mit vier Armen. Viele Kristalle können sich zu Gerüsten mit vielen kleinen Hohlräumen verbinden. Adelung arbeitet seit über 15 Jahren mit diesem Werkstoff, den er nun für beide Projekte unterschiedlich einsetzen will. „Bei AeroMarK nutzen wir das Zinkoxid, nur um die Struktur des Kollagengerüsts vorzugeben und entfernen es sofort wieder, um ein luftiges Aeromaterial aus Kollagen zu erzeugen“, sagt Adelung. „Bei QPiezoR soll es zusätzlich elektrische Signale erzeugen und möglicherweise so die Knorpelbildung anregen.“

Warum Kollagen aus Quallen?

Quallen sind evolutionär sehr alte Tiere. Wie Säugetiere besitzen auch sie Kollagen, das ihrer gallertartigen Struktur Halt gibt. Bei Säugetieren bildet das Protein ein stabiles Gerüst, in das Knorpelzellen eingebettet sind. Einerseits ähnelt Quallenkollagen dem von höheren Tieren strukturell. Andererseits fehlen ihm jedoch bestimmte Bindungsstellen, an denen Knorpelzellen andocken können.

Was zunächst wie ein Nachteil klingt, ist für die Knorpelregeneration von Vorteil: Denn wenn Knorpelzellen an Säugetierkollagen andocken, nehmen sie eine längliche Form an. „Dabei verlieren sie ihre Spezialisierung und bilden nur noch minderwertigen Faserknorpel“, erklärt Dr. Alexandra Cordeiro Baumgartner, die beide Projekte koordiniert. „Doch um hochwertigen, hyalinen Knorpel zu bilden, sollten Zellen möglichst rund bleiben.“

Dass Knorpelzellen, die in Quallenkollagen kultiviert wurden, ihre runde Form behalten, hat Dr. Judith Sewing bereits in Vorarbeiten gezeigt. Für beide Projekte bringt sie nun ihre Expertise bei AMIPLANT ein. Das Medizintechnikunternehmen ist bei AeroMarK assoziierter Partner und bei QPiezoR Verbundpartner.

AeroMarK: Ein Gerüst, das wieder verschwindet

Im Projekt AeroMarK dienen die Zinkoxid-Kristalle als eine Art Vorlage, die dem Quallenkollagen eine Struktur vorgeben soll. Die Forschenden vermischen gelöstes Quallenkollagen mit den Kristallen – sogenannten Tetrapoden –, gefriertrocknen die Mischung und vernetzen das Kollagen, damit es stabil bleibt. Anschließend lösen sie das Zinkoxid wieder heraus. Zurück bleibt eine dreidimensionale, hochporöse Struktur aus reinem Quallenkollagen.

Dieses Gerüst können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezielt anpassen: Über die Menge an Zinkoxid und Kollagen sowie über die Vernetzung lassen sich die Größe der Hohlräume und die Steifigkeit einstellen. Erste luftige Kollagengerüste hat das Team im Labor bereits hergestellt. Nun wollen die Forschenden verschiedene Varianten dieses Aeromaterials entwickeln und vergleichen, um herauszufinden, welche Eigenschaften des Materials die Knorpelregeneration besonders fördern können. Bis zum Projektende im September 2028 will das Team mehrschichtige Gerüste erzeugen, die den unterschiedlichen Schichten des natürlichen Gelenkknorpels möglichst nahekommen – erste Prototypen, die später in präklinischen Studien untersucht werden sollen.
AeroMarK erhält im Rahmen des Förderprogramms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“ über das Bündnis BlueHealthTech eine Förderung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) in Höhe von ca. 650.000 Euro.

QPiezoR: Ein elektrisch aktives Material für die Knorpelregeneration

Im zweiten Projekt „QPiezoR“ bleiben die Zinkoxid-Kristalle im Kollagenmaterial erhalten und sollen dort zusätzlich als Signalgeber wirken. Zinkoxid ist piezoelektrisch. Es kann also bei mechanischer Belastung elektrische Signale erzeugen, ausgelöst etwa durch Kräfte, die bei jedem Schritt und jeder Bewegung auf die Gelenke einwirken. Ob solche Signale tatsächlich dazu beitragen können, dass Knorpelzellen neues Gewebe bilden, will das Team bis Juni 2029 herausfinden.

Zunächst wollen die Forschenden die Struktur ihres neuartigen Materials gezielt weiterentwickeln: Die Tetrapoden müssen sich so miteinander verbinden, dass sie elektrische Signale durch das Material übertragen können. Zugleich soll das Gerüst die unterschiedlichen Schichten des Gelenkknorpels berücksichtigen und auch den Übergang zum darunter liegenden Knochen einbeziehen. In einem weiteren Schritt testen sie dann, ob und unter welchen Bedingungen das Material Zellkulturen beeinflusst.

Das Verbundprojekt QPiezoR wird im Rahmen der Material-Hub-Initiative „MaterialVital – Materialinnovationen für ein gutes und sicheres Leben“ vom BMFTR gefördert; das Kieler Teilvorhaben erhält rund 900.000 Euro.

Ausblick auf eine Therapie für Knorpelregeneration

Langfristig sollen die Materialien dazu beitragen, geschädigten Gelenkknorpel zu regenerieren. Eine mögliche Anwendung wäre ein Patch, der in einen Knorpeldefekt eingesetzt wird und Knorpelzellen eine geeignete Umgebung bietet, um neues Gewebe zu bilden. Erste Voraussetzungen für eine solche Anwendung sind bereits vorhanden: Das aus Adelungs Arbeitsgruppe heraus gegründete Unternehmen Phi-Stone AG stellt tetrapodales Zinkoxid industriell her. Die spätere Herstellung der Materialien als Medizinprodukt ist bei AMIPLANT vorgesehen. Bis zu einer Anwendung am Menschen ist es allerdings noch ein weiter Weg – wie bei allen regenerativen Therapieansätzen.

Pressekontakt:

Christina Anders
Wissenschaftskommunikation
Forschungsschwerpunkt KiNSIS
canders@uv.uni-kiel.de
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Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Aus der intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieur- und Lebenswissenschaften entstehen neue Moleküle und Materialien, Sensoren und Batterien, Quantentechnologien, katalytische Verfahren, medizinische Therapien und vieles mehr. www.kinsis.uni-kiel.de

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Rainer Adelung
Institut für Materialwissenschaft, CAU
Funktionale Nanomaterialien
+49 431 880-6116
ra@tf.uni-kiel.de

Dr. Alexandra Cordeiro Baumgartner
Institut für Materialwissenschaft, CAU
Funktionale Nanomaterialien
+49 431 880-6342
alba@tf.uni-kiel.de

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Weitere Informationen:
https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/knorpel-kur-aus-dem-meer
https://www.uni-kiel.de/de/tf/forschen/institut-materialwissenschaft/funktionale-nanomaterialien/default-title
https://www.innovation-strukturwandel.de/strukturwandel/de/news-und-storys/aus-den-buendnissen/zukunftsmaterial_behandlung_von_knorpelschaeden/zukunftsmaterial_behandlung_von_knorpelschaeden_artikeltext.html