Tissue Engineering – Labor und Klinik

1. Bedeutung

„Tissue Engineering ist ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet, das die Prinzipien des Ingenieurwesens und der Lebenswissenschaften zur Entwicklung biologischer Ersatzstoffe, die die Gewebefunktion wiederherstellen, erhalten oder verbessern, anwendet“ (R. Langer et al., Science 260, 920-6, 1996). Voraussetzung für die derzeit dynamische Entwicklung dieses Gebietes ist die enge Zusammenarbeit und der Technologie-Transfer zwischen den klinischen Forschern, den Grundlagenwissenschaften und der Industrie.

Die Arbeitsgruppe „Tissue Engeneering“ unter der Leitung von Herrn PD Dr. med. habil. Dr. med. dent. Günter Lauer hat jahrelange Klinik- und Forschungserfahrung in der Behandlung  von Gewebedefekten im Kiefer- und Gesichtsbereich. Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe sind die Kultivierung von Mundschleimhaut-, Bindegewebs- und Knochenzellen sowie die Modifizierung und Optimierung der Kultivierungsverfahren. Durch die Kombination der gezüchteten Zellen mit unterschiedlichen industriell hergestellten Biomaterialien werden Transplantate für den Einsatz in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie hergestellt, klinisch eingesetzt und auch weiter entwickelt.  Ein Hauptanwendungsgebiet ist die Defektdeckung nach Tumoroperationen. Hier ist es häufig notwendig, verschiedene Gewebearten wie Knochen und Mundschleimhaut zu ersetzen. Ein weiteres Einsatzfeld von im Tissue Engineering hergestellten Transplantaten ist der Weichgewebsersatz im Rahmen von sogenannten präprothetischen Operationen. Durch die Transplantation von Mundschleimhaut wird der Sitz von herausnehmbarem Zahnersatz verbessert und die hygienische Situation um Zahnimplantate herum günstiger gestaltet, um diese vor frühzeitigem Verlust zu schützen. Herkömmliche Verfahren zur Defektdeckung im Kiefer- und Gesichtsbereich sind freie Haut- oder Schleimhauttransplantate sowie verschiedene Fern- und Nahlappenplastiken. Wesentliche Nachteile sind hierbei, dass zusätzliche Gewebedefekte in der Entnahmeregion des Transplantates entstehen und oft auch nicht genügend Schleimhaut zur Deckung größerer Areale zur Verfügung steht. Durch das ist es möglich, beliebig große Transplantate ohne aufwendige Lappenplastiken mit Narben und Funktionseinschränkungen in der Spenderregion herzustellen, was die Lebensqualität der Patienten entscheidend verbessert.

2. Mundschleimhauttransplantate

Defekte im Bereich der Mundschleimhaut und Zunge werden üblicherweise mit Haut oder freien Schleimhauttransplantaten vom Gaumen oder aus der Wange gedeckt. Mit dem Tissue Engineering eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für den Gewebeersatz. Es können ausreichend große Transplantate hergestellt werden ohne zusätzliche Defekte in der Spenderregion zu schaffen. Aus einer kleinen Mundschleimhautbiopsie werden Keratinozyten angezüchtet und vermehrt. Anschließend erfolgt die Aussaat der Zellen auf ein industriell hergestelltes und zugelassenes Biomaterial. Bewährt haben sich hier Folien aus Kollagen. Nach weiterer Kultivierung steht nach insgesamt 4 Wochen ein Transplantat bestehend aus der mit  Zellen bewachsenen Folie für den klinischen Einsatz am Patienten zur Verfügung. Wesentlicher Vorteil des durch den Arbeitsgruppenleiter entwickelten und etablierten Kultivierungsverfahren ist, dass sowohl auf fötales Kälberserum als Zusatz zum Kultivierungsmedium als auch auf 3T3-Mäusefibroblasten zur Wachstumsförderung verzichtet werden kann. Dies erhöht die Sicherheit der Transplantate und vermeidet eine Infektion durch tierische Substanzen.  Klinische und histologische Untersuchungen zeigten, dass die Transplantate wie normale Mundschleimhaut aufgebaut sind.

Abb. Im Tissue Engineering hergestelltes Mundschleimhauttransplantat. Bindung von Anti-Cytokeratin 19 an alle Epithelzellen. Bei der histologischen Aufarbeitung löste sich der Epithelverband von der Folie (x 300).

3. Knochentransplantate

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt in der Kultivierung von Osteoblasten zur Herstellung von Knochen. Klinisch werden Knochentransplantate zum Auffüllen von Hohlräumen nach der Operation von Kieferzysten, vor dem Einbringen von Zahnimplantaten, zum Verschluss der Kieferspalte bei Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten und zur plastischen Rekonstruktion nach Unfällen oder Tumoroperationen benötigt. Die Kultivierung der Osteoblasten erfolgt ebenfalls aus einer kleinen Knochenbiopsie. Als Biomaterial werden Kollagen- und Hydroxylapatitschwämme verwendet, die dann mit Osteoblasten im Sinne des Tissue Engineering besiedelt werden. Die Knochentransplantate werden dann nach 6-8 Wochen am Patienten eingesetzt. Im Verlauf der Einheilung kommt es zur Knochenbildung, was sich röntgenologisch und histologisch nachweisen lässt.

4. Forschung

Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt ist die Weiterentwicklung der Mundschleimhauttransplantate. Diese bestehen derzeit nur aus einer Zellart, den Keratinozyten. Für die Differenzierung dieser Zellen ist aber eine bindegewebige Matrix notwendig, welche gleichzeitig auch die Schrumpfung des Transplantates verhindert. Durch die Herstellung von Konstrukten bestehend aus Keratinozyten auf einer Kollagenfolie und Fibroblasten in einem Vicrylnetz als Bindegewebskomponente soll ein höher differenziertes Transplantat erzielt werden. Die Kultivierung der Fibroblasten ist bereits etabliert, aber die Trägermaterialien für beide Komponenten sollen noch optimiert werden. Gemeinsam mit dem Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Dresden und dem Institut für Polymerforschung Dresden existieren diesbezüglich Forschungsprojekte.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeitgruppe ist die Herstellung dreidimensionaler Konstrukte bestehend aus Knochenzellen und einem mechanisch stabilen Biomaterial, welches möglichst  vollständig abgebaut und in Knochen umgewandelt werden sollte. Auch hier gibt es Forschungsprojekte mit den bereits genannten Einrichtungen.

Günter Lauer

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