Aus computertomografischen Bildern haben die Forschenden die Struktur menschlicher Knochen abgeleitet und im 3D-Drucker nachgebildet.
3R-Prinzip
Knochenstoffwechsel auf einem Chip studieren
Warum lockern sich künstliche Gelenke irgendwann? Dieser Frage geht ein Forschungsteam an der Ruhr-Universität Bochum nach. Statt Tierversuchen kommen hochentwickelte Zellkultursysteme und Bioreaktoren zum Einsatz.
Jedes Jahr bekommen über 400.000 Menschen in Deutschland ein künstliches Knie- oder Hüftgelenk. Der Einsatz gehört zu den häufigsten orthopädischen Eingriffen und lindert die Beschwerden der Betroffenen meistens schnell, doch nach durchschnittlich 12 bis 15 Jahren muss ein Implantat häufig ersetzt werden. In Deutschland, ähnlich wie in anderen europäischen Ländern, müssen gemäß Registerdaten jedes Jahr etwa 21 Prozent der künstlichen Gelenke revidiert werden.
„Das liegt unter anderem daran, dass sich die Prothese irgendwann zu lockern beginnt“, erklärt Dr. Jochen Salber, Leiter der Abteilung Experimentelle Chirurgie der Knappschaft Kliniken Universitätsklinikum Bochum. Dieser Lockerungsprozess beruht auf komplexen Vorgängen an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Implantat und dem umgebenden Knochengewebe. Eine bislang nicht vollständig verstandene Rolle spielen dabei metallische Nanopartikel, die sich durch die Bewegung des künstlichen Gelenks vom Implantat ablösen, sowie die Oberflächenbeschaffenheit des Implantats selbst. Salber und sein Team wollen genauer verstehen, wie Knochen und Implantat zusammenwirken, um langfristig die Lebensdauer von Implantaten verbessern zu können.
Vorteile alternativer Methoden
Klassischerweise würde man solche Fragen im Tierversuch untersuchen. Salber und sein Team gehen bewusst einen anderen Weg: Sie analysieren die Aktivität knochenrelevanter Zellen aus primären humanen Zellquellen. Diese stammen entweder aus Gewebeproben, die bei Gelenkersatzoperationen routinemäßig anfallen und sonst verworfen würden, oder aus Blutspenden, aus denen sich immunologische Vorläuferzellen isolieren lassen. „Damit entsteht ein System, das nicht nur tierfrei, sondern auch nachhaltig ist und eine Form der menschlichen Eigenverantwortung widerspiegelt“, so Salber: „Menschen spenden Zellen, um Forschung ohne Tiere zu ermöglichen.“ Zudem eröffnet dieser Ansatz mittelfristig die Möglichkeit personalisierter Experimente, bei denen patientenspezifische Zellantworten untersucht werden können.
Erst seit Kurzem ist das Verfahren des 3D-Drucks für die Herstellung passender Chips bezahlbar.
Auf den Chips werden die Zellen angesiedelt, die die Forschenden beobachten wollen. Über Schläuche wird das gesamte System ständig mit Nährlösung gespült.
Solche winzigen Plättchen, die mit Knochensubstanz beschichtet sind, werden mit Knochen auf- und abbauenden menschlichen Zellen besiedelt.
In der Zellkultur lässt sich beobachten, wie viel Knochensubstanz abgebaut wird, und wie viel sich neu bildet.
Größere Proben können in solche Bioreaktoren eingebaut werden, in denen die Forschenden die zelluläre Aktivität über mehrere Wochen beobachten können.
Diese Herangehensweise hat mehrere Vorteile: „Wir vermeiden unnötige Tierversuche, und wir erhalten Daten, die physiologisch näher am Menschen liegen als Ergebnisse aus Kleintiermodellen.“ Unterschiede im Immunsystem, in Körpergewicht, Belastung und Gelenkmechanik erschweren die Übertragbarkeit kleintierexperimenteller Ergebnisse. Zudem erlaubt das Zellkultursystem eine kontinuierliche mikroskopische Beobachtung und sensorische Analyse – etwas, das im Tierversuch nicht möglich ist oder die Tiere unverhältnismäßig stark belastet. Dort wird implantiert, gewartet und nur zu einzelnen Zeitpunkten untersucht.
3D-gedruckte Chips als künstliche Knochenumgebung
Um die Zellkulturen möglichst realitätsnah zu gestalten, entwickeln die Forschenden eigene Trägerstrukturen. Diese werden im 3D-Drucker aus biokompatiblem Material hergestellt – eine Technologie, die erst seit kurzem breit verfügbar ist. „Vor einigen Jahren war das nur für große Industrieunternehmen finanzierbar“, sagt Dr. Alexander Sieberath, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Team. Die gedruckten Chips werden anschließend mit einer fluoreszierenden, knochenähnlichen Substanz beschichtet. Für dieses Verfahren hält das Team ein Patent.
Ein dynamisches System – über Wochen hinweg
Sind die Chips vorbereitet, besiedeln die Forschenden sie mit zwei zentralen Zelltypen: Osteoblasten, die aus Vorläuferzellen aus Knochen oder Knochenmark gewonnen werden, und Knochensubstanz aufbauen. Ihre Gegenspieler sind die Osteoklasten, die aus Zellen aus gespendetem Blut differenziert werden. Sie bauen Knochensubstanz ab. Die Fluoreszenz der Beschichtung des Chips ermöglicht es, ihre Aktivität in Echtzeit zu verfolgen. Die Resorptionsprozesse werden KI-gestützt quantitativ ausgewertet.
Die Aktivität der knochenaufbauenden Osteoblasten – insbesondere die Mineralisation – erfassen die Forschenden ergänzend mit einer etablierten histologischen Färbung. Diese wird mit einem modernen Mikroskop über einen separaten Kanal visualisiert und kann für verschiedene Zeitpunkte systematisch dokumentiert werden. So entsteht ein zweikanaliges Bild des Knochenstoffwechsels: Echtzeit-Resorption durch Osteoklasten und zeitaufgelöste Mineralisation durch Osteoblasten.
Jochen Salber (links) und Alexander Sieberath arbeiten mit Organoiden anstelle von Tierversuchen.
Das gesamte System wird über Schläuche, Pumpen und Sensoren zu einem mikrophysiologischen System, das kontinuierlich mit Nährlösung versorgt wird. „Solche Versuche können über mehrere Wochen laufen“, erklärt Sieberath. „Wir können viele Chips parallel betreiben und gezielt einzelne Parametersets verändern.“ So lassen sich beispielsweise optimale Wirkstoffdosierungen im Hochdurchsatz bestimmen. „Wenn es gut läuft, überwiegt der Knochenaufbau durch Osteoblasten“, sagt Salber. „Kippt das Gleichgewicht zugunsten der Osteoklasten, wird der Knochen porös – ein Risiko für die Implantatstabilität.“
Ein künstlicher Organismus
In einem Experiment ist es den Forschenden so bereits gelungen nachzuweisen, welche Wirkung die Mikrostrukturierung von keramischen Zahnimplantaten auf Knochenauf- und -abbau hat. Im 3D-Drucker konnten sie auch schon Knochenstrukturen nachbauen, deren Bauplan sie von computertomografischen Schichtaufnahmen menschlicher Knochen abgeleitet hatten, und diese mit menschlichen Zellen besiedeln. Auch diese größeren Modelle lassen sich in Bioreaktoren untersuchen, die die Situation im Körper nachahmen. „Man kann sogar mehrere Organsysteme mit Zellen auf Chips nachbauen und diese Organoide miteinander in Verbindung bringen, sodass eine Art künstlicher Organismus entsteht, in dem sich die Organe gegenseitig beeinflussen“, sagt Jochen Salber. Die Chips könne man auch mit Sensoren versehen, die verschiedene Parameter ständig messen.
Projekte und Preise
„Wenn wir die Grundlagen der Wechselwirkung zwischen Knochen und Implantatmaterial erforscht haben, wird man dennoch irgendwann Tierversuche machen müssen, um Sicherheit zu haben, bevor man zum Beispiel ein optimiertes Implantat in der Klinik einsetzt“, schränkt Salber ein. „Ganz darauf verzichten können wir nicht. Aber es ist etwas anderes, ob ich bei einem Fehler im Labor eine Zellkultur entsorgen oder ein Versuchstier opfern muss.“
Die alternativen Methoden zum Tierversuch – New Approach Methodologies (NAMs) – könnten seiner Ansicht nach bereits deutlich weiter sein. „Dafür fehlt es zurzeit noch an der passenden Förderlandschaft“, so Salber. Die Weiterentwicklung dieser hochrealistischen Modelle erfordert insbesondere personelle Ressourcen – ein Punkt, der für eine rein drittmittelfinanzierte Arbeitsgruppe eine besondere Herausforderung darstellt. Nur mit einer stabilen Förderung lassen sich diese innovativen, tierfreien Ansätze weiter ausbauen und langfristig etablieren.
