Biologisierung der Medizintechnik, Bild: pixabay

Unter Biologisierung versteht man im Wesentlichen die Zusammenführung technischer und biologischer Komponenten in einem Gerät oder medizinischen Prozess. Bild: pixabay

Der Trend Biologisierung ist vermehrt bei orthopädischen Praktiken zu finden. Zuvor waren orthopädische Implantate auf reine Mechanik beschränkt und biologische Aspekte wurden lediglich für die Verbindung der Prothese mit dem umgebenden Knochen- oder Weichteilgewebe in Betracht gezogen. Später kamen biologische Beschichtungen ins Spiel, die eine Interaktion und Veränderung des biologischen Umfelds durch das orthopädische Implantat förderten und somit mögliche Gegenreaktionen des umliegenden Gewebes, wie zum Beispiel Fremdkörperreaktion oder Implantatinfektion verringerten.

Im vergangenen Jahrzehnt wurde viel erreicht. Doch Bioingenieure, Materialwissenschaftler und Chirurgen konzentrieren ihre Forschungsarbeit weiterhin auf biologische Oberflächenbeschichtungen und „biologisierte“ Implantate, die sich durch die Verwendung der patienteneigenen Zellen personalisieren lassen und das klinische Ergebnis von orthopädischen Operationen verbessern.

Bereich Zahnimplantate

Auch im Bereich der Zahnimplantate lässt sich der Biologisierungstrend zunehmend beobachten. Wissenschaftler haben eine neue, bahnbrechende Methode entwickelt, die einen Zahnersatz mit biotechnisch aus den eigenen Zahnfleischzellen des Patienten erzeugten Werkstoffen ermöglicht. Dieses Prinzip wurde von Professor Paul Sharpe eingeführt. Sharpe ist Spezialist für Gesichtsschädelentwicklung und Stammzellenbiologie am zahnmedizinischen Institut des King's College London und führt die Forschung im Bereich dieser als „Biozähne“ bezeichneten biotechnisch erzeugten Zähne.

Der Schwerpunkt des Forschungsteams liegt auf der Generierung unreifer Zähne, die sich in den Kiefer Erwachsener einpflanzen lassen und zu voll funktionsfähigen Zähnen entwickeln. Dies klingt zwar äußerst viel versprechend, doch die Tatsache, dass die Zellen für die Erzeugung unreifer Zähne von Embryonen stammen, bedeutet starke Einschränkungen für die Brauchbarkeit der Methode. Das Team steht nun vor der Herausforderung, erwachsene Quellen sowohl für menschliche Zahnfleischzellen als auch für menschliche Zellen zu finden, die Zähne bilden können.

Den Fortschritt der Forschung hält diese Schwierigkeit jedoch nicht auf. Das Team konnte bereits menschliches Zahnfleischgewebe mit zahnbildenden Zellen von Mäusen kombinieren und auf diese Weise hybride Mensch/Maus-Zähne mit Dentin, Zahnschmelz und funktionsfähigen Wurzeln erzeugen. Als Nächstes müsste eine Quelle für zahnbildende Zellen von erwachsenen Menschen gefunden werden.

Biozähne

Ein weiteres gutes Beispiel für die Biologisierung ist die molekulare Bildgebung. Hier liegt das Augenmerk auf der Entwicklung von bildgebenden Instrumenten, Bildgebungssonden und -Assays sowie Quantifizierungstechniken, die zur Erklärung molekularer Mechanismen in Biologie und Medizin dienen. Die molekulare Bildgebung ist eine nicht invasive Methode zur Charakterisierung und Quantifizierung normaler und pathologischer Prozesse auf zellulärer und subzellulärer Ebene im lebenden Organismus. Im Vergleich zur herkömmlichen biomedizinischen Bildgebung mit Mikroskopen ist die molekulare Bildgebung fortgeschrittener und bietet bedeutungsvollere Ergebnisse und größere Vorteile.  

Erstens kann die molekulare Bildgebung in vivo erfolgen.  Zu den weiteren Vorteilen gehört die Möglichkeit, bei molekularbildgebenden Verfahren den gesamten Körper zu untersuchen und sich zusätzlich auf spezifische Bereiche zu konzentrieren. Auch kann das jeweilige molekulare Ziel in einem 3D-Raum dargestellt werden.  Und nicht zuletzt entwickelt sich die molekulare Bildgebung zu einer wichtigen Brückentechnologie für die Überführung experimenteller, vorklinischer Erkenntnisse ins klinische Umfeld.

Bereits jetzt steht eine große Bandbreite an medizinischen Geräten für die molekulare Bildgebung zur Verfügung. Dazu gehören die Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT), Positronenemissionstomographie (PET), Single-Photon-Emissionscomputertomographie (SPECT) und optische (Biolumineszenz und Fluoreszenz) Bildgebung. Darüber hinaus kommt ein kleiner Bereich des Schallspektrums bei der molekularen Bildgebung mit Ultraschall zum Einsatz.

Zellbasierte Medizinprodukte

Tissue-Engineering, Bild: Fraunhofer IGB
Die BioVaSc-Term des Fraunhofer IGB ist beispielsweise eine Trägerstruktur für das Tissue Engineering. Über die intakte Blutgefäßstruktur wird das Gewebe mit Nährstoffen versorgt. Bild: Fraunhofer IGB

Tissue-Engineering- und zellbasierte Medizinprodukte sind ein weiteres Beispiel für Biologisierung. Sie entwickeln sich zu Behandlungsoptionen für Leiden und Erkrankungen der Muskel-Skelett-Struktur und können zur Reparatur, Wiederherstellung oder Regenerierung von lebendem Gewebe verwendet werden. Dies Produkte umfassen Zellen, Gewebe, anorganische und organische Substanzen, die entweder allein oder in Kombination mit anderen im Labor hergestellten, manipulierten oder veränderten Faktoren eingesetzt werden.

Tissue-Engineering- und zellbasierte Medizinprodukten können auch Stoffe beinhalten, die nicht natürlich in Geweben vorkommen oder deren normale physiologische Konzentration verändert wurde. Als Beispiele für diese Erzeugnisse lassen sich Knochenersatz- oder -erweiterungstransplantate, allein oder in Kombination mit anderen Produkten verwendete Knochenwachstumsfaktoren sowie autologe oder allogene Zellen für die Neuzüchtung von Muskel-Skelett-Gewebe nennen.

Projekt künstliche Lunge

Die Möglichkeiten sind endlos. Novalung arbeitet derzeit am Projekt The AmbuLung (Ambulatory Bioartificial Lung, ambulant verwendbare, bioartifizielle Lunge). Schwerpunkt des Projektes ist die Entwicklung einer zellbeschichteten, künstlichen Lunge in Miniaturformat für den Langzeiteinsatz. Das Projekt AmuLung bedeutete für das Unternehmen den logischen nächsten Schritt nach der Entwicklung der weltweit einzigen pumpenlosen künstlichen Lunge (iLA Membrane Ventilator) und der nicht weniger erfolgreichen Markteinführung einer minimalinvasiven künstlichen Lunge (iLA activve).

Und nicht genug mit der Entwicklung einer künstlichen biologischen Lunge. Auch im Bereich der Gehirnimplantate gibt es interessante Neuerungen. Eine der Technologien, die erst kürzlich die medizinische Fachwelt aufgewirbelt hat, ist das von Forschern der Brown University, der Stanford University, des Massachusetts General Hospital und des Providence VA Medical Center entwickelte BrainGate-System. Dank der BrainGate-Technologie können schwerbehinderte Personen - einschließlich Patienten mit traumatischer Rückenmarkverletzung und Gliedmaßenverlust - kommunizieren und alltägliche Funktionen buchstäblich durch Gedanken steuern.  

Aber auch für diese innovativen und potenziell lebensverändernden Produkte gilt wie für andere technisch komplexen Implantate, dass die eigentliche Hürde im Finden der richtigen Werkstoffe besteht. Gehirnimplantate bestehen aus zwei Teilen: einem Schaltkreis mit Elektroden, die mit dem Gehirn in Kontakt stehen, und einer weicheren Umhüllung. Die Werkstoffe für die Umhüllung müssen schlichtweg biokompatibel sein, um den bei der Implantation entstehenden unvermeidlichen Schaden am Gehirn so gering wie möglich zu halten und die Gefahr einer Abwehrreaktion des Körpers auf das Implantat herabzusetzen.

Der Bereich biologisierter Medizinprodukte und Werkstoffe bietet noch sehr viel Entwicklungspotenzial. Doch der Fortschritt lässt vermuten, dass der Tag, an dem Menschen mit biologisch regenerierten Herzen leben, nicht mehr allzu weit entfernt ist.

hei