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Regenerieren von gerissenem Knorpel
Ein neues Biomaterial entwickelt von Cartilix , ein Biotech-Startup mit Sitz in Foster City, Kalifornien, könnte die Erfolgsrate von Knie-Knorpel-Reparaturoperationen dramatisch verbessern und das Verfahren für Patienten mit schlechten Knien zugänglicher machen. Das neue Material namens ChonDux besteht aus einem Polymer-Hydrogel, das, wenn es während einer Operation in das Kniegelenk injiziert wird, die Regeneration des Knorpels steuert, indem es Reparaturzellen im Körper stimuliert.
Kniefüller: Ein von Cartilix entwickeltes Biomaterial namens ChonDux könnte die derzeitige Mikrofrakturchirurgie verbessern, die darauf abzielt, beschädigten Knieknorpel zu reparieren. Während des Eingriffs trägt der Chirurg ein Bioadhäsiv (blau dargestellt) auf die Kavität auf, in der der Knorpel fehlt. Anschließend werden neben der Kavität kleine Löcher (rot) in den Knochen gebohrt und mit Hydrogel aufgefüllt (Wellenlinien). Das Material wird mit UVA-Licht bestrahlt, wodurch das Polymer von einer viskosen Flüssigkeit zu einem Gel aushärtet (schraffierte Linien).
Die als Mikrofraktur bezeichnete minimalinvasive Kniechirurgie, bei der ein Chirurg Löcher in das Knie bohrt, um die Regeneration des durch Abnutzung verloren gegangenen Knorpels anzuregen, hat in den letzten Jahren bei Sportlern immer mehr an Popularität gewonnen. Eine Reihe professioneller Basketballspieler, darunter Greg Oden von den Portland Trail Blazers und Amare Stoudemire von den Phoenix Suns, haben sich dem Verfahren unterzogen, was zu seiner Popularität beigetragen hat. Die Erfolgsrate des Verfahrens variiert jedoch dramatisch, sagt Norman Marcus , ein orthopädischer Chirurg am Virginia Cartilage Institute in Springfield, VA. Bei jungen Sportlern mit kleinen Defekten im Knieknorpel funktioniert die Mikrofraktur in bis zu 75 Prozent der Fälle. Bei älteren Patienten sinkt diese Zahl jedoch auf 50 Prozent, sagt Marcus.
Marcus, Chief Medical Officer bei Cartilix, und seine Kollegen hoffen, das Verfahren zu verbessern und es der größeren Bevölkerung von Babyboomern zugänglicher zu machen. Mit zunehmendem Alter sind viele Menschen gezwungen, ihre körperlichen Aktivitäten aufgrund von schmerzhaften, geschwollenen Gelenken, die durch den altersbedingten Knorpelabbau im Kniegelenk oder durch wiederholten Stress oder Verletzungen verursacht werden, einzuschränken. Marcus hofft, diese Patienten behandeln zu können, bevor sie eine ausgewachsene Arthrose entwickeln. Das Ziel sei es, die große Bevölkerung zu identifizieren, die ihr ganzes Leben lang aktiv sein möchte, sagt er.
Bei der Mikrofraktur bohrt ein Chirurg mit einer speziellen Ahle eine Reihe kleiner Löcher in den Knochen unter dem fehlenden Knorpel. Knochenmark, das Stammzellen enthält, sickert in den beschädigten Bereich und bildet ein Gerinnsel. Das Gerinnsel setzt Stammzellen frei, die sich zu Knorpelzellen differenzieren und nach und nach neues Gewebe bilden. Da es sich bei dem neuen Gewebe jedoch um Narbenknorpel und nicht um echten Knorpel handelt, weist es möglicherweise nicht die gleiche Haltbarkeit und Festigkeit wie das ursprüngliche Gewebe auf – ein wahrscheinlicher Faktor für die hohe Ausfallrate von Mikrofrakturen.
ChonDux besteht aus einem Hydrogel aus Polyethylenglycol – einem Polymer, das häufig in einer Vielzahl von Medizinprodukten verwendet wird – und einem Bioadhäsiv, um das Hydrogel nach der Injektion an Ort und Stelle zu halten. Zunächst beschichtet der Chirurg das Innere der Kavität, wo der Knorpel fehlt, mit dem Bioadhäsiv und bohrt dann wie bei der Mikrofraktur kleine Löcher in den Knochen neben der Kavität. Dann füllt der Chirurg den leeren Raum mit dem Hydrogel und bestrahlt das Material mit UVA-Licht, wodurch das Polymer aus einer viskosen Flüssigkeit zu einem Gel aushärtet. Das Blutgerinnsel, das sich aus der Mikrofraktur bildet, wird dann im Hydrogel eingeschlossen.
Eines der größten Probleme bei der Transplantation von Biomaterialien besteht darin, dass das meist wässrige Material in einem sehr rutschigen Raum kleben bleibt, sagt Jennifer Elisseeff , einem biomedizinischen Ingenieur an der Johns Hopkins University, der ChonDux entwickelt und Cartilix mitbegründet hat. Das Adhäsiv besteht in diesem Fall aus Chondroitinsulfat – einem natürlichen Bestandteil des Knorpels, der chemisch modifiziert wird, um an den den Defekt umgebenden gesunden Knorpel sowie an das Hydrogel zu binden. Es wirkt wie eine Grundierung, die dabei hilft, die Farbe an der Wand zu halten, sagte Elisseeff auf einer Podiumsdiskussion auf der jüngsten EmTech-Konferenz in Cambridge, MA. Der Kleber verhindert die Narbenbildung zwischen neuem und altem Knorpel.
Elisseeff , die 2002 Mitglied des TR35 von Technology Review war, und ihr Team haben das Material an Kaninchen und Ziegen getestet und festgestellt, dass mehr Zellen aus dem Knochenmark im Blutgerinnsel eingeschlossen werden, wenn das Hydrogel vorhanden ist, verglichen mit der durchgeführten Mikrofrakturierung ohne das Gel. Die Forscher stellten auch fest, dass sich die Defekte mit dem Biomaterial schneller füllen als ohne und dass das neu gebildete Gewebe eher echtem Knorpel ähnelt.
Auch die Ergebnisse einer kleinen klinischen Studie in Europa sehen vielversprechend aus. Laut den bei EmTech präsentierten Ergebnissen zeigten Magnetresonanz-Scans des Knies sechs Monate nach dem Eingriff, dass bei Patienten, die das Hydrogel erhielten, mehr Gewebe gewachsen war als bei denen, die sich einer herkömmlichen Mikrofraktur unterzogen, und sie weniger Schmerzen berichteten. Cartilix hofft, die Daten seiner europäischen Studie der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) vorlegen zu können und eine größere Studie am Menschen in den USA zu starten.
Während es eine Reihe von Studien zu verschiedenen Trägern wie Hydrogelen und anderen Biomaterialien gibt, die die Zellen an Ort und Stelle halten und Knorpel wachsen lassen, ist das Spannende an dieser Arbeit, dass dieses Bioadhäsiv das Hydrogel ziemlich stark an Ort und Stelle halten kann und ihm Zeit gibt Knorpel nachwachsen lassen, sagt Farshid Guilak , ein biomedizinischer Ingenieur an der Duke University School of Medicine. Und da das Biomaterial vor der Injektion nicht mit Zellen besät werden muss – eine Strategie, die viele Forschungsgruppen untersuchen – könnte es für Cartilix einfacher sein, die FDA-Zulassung für das Material zu erhalten.
Elisseeff passt ihre Biomaterialien auch für andere Anwendungen an. Zum Beispiel hat sie kürzlich einen Teil ihrer Technologie lizenziert an Kythera Biopharmazeutika , ein Unternehmen mit Sitz in Calabasas, CA, das sich auf kosmetische Medizin spezialisiert hat. Das Unternehmen verwendet die Materialien von Elisseeff, um lichtaktivierte kosmetische Füllstoffe zu entwickeln, die viel länger halten als die derzeit auf dem Markt befindlichen. Diese Füllstoffe, die normalerweise an den Seiten des Mundes in die Haut injiziert werden, um altersbedingte Falten zu minimieren, haben in der Regel eine kurze Lebensdauer. Patienten müssen den Eingriff oft mehrmals im Jahr wiederholen.
Mit unseren Materialien beleuchten wir [den Bereich der Haut], der injiziert wurde, und vernetzen die Materialien, damit sie nicht so schnell abgebaut werden, sagt Elisseeff. Sie sagt, dass Kythera plant, die kosmetischen Füllstoffe in ein paar Monaten an Patienten zu testen. Die erste Pilotstudie wird in Beverly Hills stattfinden.