Knochenjob für Bioforscher

25. Juli 2008
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Knochenregenerations-Werkstoffe galten lange Zeit als Babys der Biotechretorten. Nur wenige Kliniken begeistern sich dafür. Doch die Orthopädie der Zukunft muss sich umstellen: Nachwachsende Knochen auf Spezialmatrizes gehören ebenso zum Repertoire der kommenden Knochenmedizin wie resorbierbare Knochenregenerationsmaterialien.

Die Fakten sprechen schon aus wirtschaftlicher Sicht für sich. Eine Untersuchung der EU beziffert allein die jährliche Zahl der Hüftoperationen auf 750.000 weltweit. Hinzu kommen 100.000 Korrekturoperationen – davon die Hälfte in Europa – im gleichen Zeitraum. Auch die 500.000 Knieoperationen und mehr als 70.000 Refixationen wären die klassischen Einsatzgebiete für Biomaterialien, die direkt oder indirekt mit dem Knochenaufbau des Menschen zusammenhängen. Noch extremer sieht der Bedarf für die kommenden Generationen aus. Durch die demografische Entwicklung der Bevölkerung wird nämlich die weltweite Zahl der Erwachsenen im Ruhestand in 50 Jahren bei über einer Milliarde liegen, jeder dritte Europäer wird dabei älter als 60 Jahre sein.

Gerade diese Gruppe aber ist es, die mit zunehmendem Alter im Knochenbereich “Aufbauhilfe” benötigt. Bereits vor zehn Jahren schätze die EU den orthopädischen Markt für Biomaterialien auf acht Milliarden Euro, die Wachstumsrate betrug dabei zwischen fünf bis acht Prozent. Davon machten allein Hüftimplantate rund 30 Prozent aus. Kein Wunder also, dass nicht nur die EU Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet unterstützt. Ob Universitäten oder Unternehmen – den “besten” Knochenersatzstoff und die optimalen Aufbauhilfe für den Knochen suchen alle, nur: Wo steht die Medizin heute?

Kinder als Vorbild

Die Fortschritte auf dem Gebiet der Knochenregeneration sind unübersehbar. So hat sich hierzulande der Forschungsverbund “Knochenregeneration” an der Medizinischen Fakultät der Universität Rostock etabliert – und geht neue Wege. So soll die Nutzung von Implantaten und adulten Stammzellen gerade bei älteren Patienten das auslösen, was normalerweise der Organismus eines Kindes von selbst bewältigt: Die Regenerierung des Knochenmaterials nach Frakturen oder anderen Defekten. “Die Interaktion der Implantatoberflächen mit Stammzellen soll zeigen, wie Materialien die Zellen für Knochenregeneration steuern”, heißt es in einem entsprechenden Bericht des Arbeitsbereichs Zellbiologie um den Rostocker Professor Joachim Rychly.

Tatsächlich ist der Ansatz der Rostocker womöglich wegweisend. Denn die Forscher setzen zum einen spezielle Knochenaufbaustoffe ein, die nach der Implantation wieder abgebaut werden, sobald sich der Knochen regeneriert hat. Zum anderen kommen permanente Implantate als Knochenersatz zum Einsatz, die beispielsweise als künstliche Gelenke fungieren.

Wie sich derartige Forschungsansätze auf dem Medizinproduktmarkt etablieren können, zeigt ein Beispiel aus Warnemünde. Dort bezogen die Rostocker Biomediziner Thomas Greber und Walter Gerike im Jahr 2003 die von ihnen ausgegründete Firma Artoss am Forschungszentrum für Biomaterialien und Biosystemtechnik – und zeigten, dass die Regeneration des Knochens ein sehr komplexes Thema ist. “Knochen”, heißt es dazu auf der Firmenhomepage, ” ist keine ruhende tote Masse, sondern ein Organ, das von Blutgefäßen durchsetzt ist und einem ständigen Auf- und Abbau durchläuft, dem Remodelling. Auch beim ausgewachsenem Skelett werden jährlich ca. 10 Prozent des Knochens umgebaut”, und: “Bei einem idealen Knochenaufbaumaterial ist der Biomaterialabbau an den Knochenaufbau gekoppelt. Das ist nur möglich wenn das Knochenersatzmaterial am natürlichen Auf- und Abbau des Knochens – dem Remodelling – teilnimmt, es also ausschließlich über Osteoklasten abgebaut wird”.

Schachrechner als Knochensimulant

Was auch bedeutet: Das in Warnemünde entwickelte Produkt erlaubt auf Grund eines nanostrukturierten Aufbaumaterials die Bildung von neuem Knochengewebe – und baut sich wie andere Produkte auch dabei ebenfalls ab. Rund 80.000 Mal kamen die Nanogranulate weltweit zum Einsatz, das Geschäft boomt. Die globale Nachfrage nach Knochenersatz- und Aufbaustoffen beschäftigt deutsche Biomediziner nicht nur in Rostock oder Warnemünde. Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen beispielsweise entwickelten ein Simulationsprogramm, das die innere Struktur und die Dichteverteilung des Knochenmaterials exakt berechnet (der DocCheck Blog berichtete schon). Auf diese Weise lässt sich die Materialstruktur für andere Bauteile im voraus ableiten. Der eigentliche Clou: Das Programm simuliert, wie die Struktur beschaffen sein muss, damit es den vorgegebenen Anforderungen genügt. “Individuelle Implantate mit einer inneren Struktur, die dem Knochen des Patienten gleicht, sind leicht zu produzieren”, kommentiert das IFAM die neue Technologie, und: “Mit Metallpulver aus Biomaterialien wie Titan- und Stahllegierungen kann man auch weitere Knochenteile nachbauen, etwa aus dem Knie”.

Selbst der einst eher für seine Schachpartien bekannte Rechenbolide Blue Gene kommt am Vorstoß der Knochenmedizin nicht mehr vorbei. Am 2. Juli verkündeten Forscher der ETH Zürich und des IBM Forschungslabors in Rüschlikon, “mit Hilfe eines Blue-Gene-Supercomputers von IBM die bisher umfassendste Simulation von menschlichen Knochenstrukturen durchgeführt” zu haben.
Was Blue Gene anschließend an Informationen liefern kann, dürfte wiederum die Knochenjäger aus Deutschland interessieren: Die Simulation, folgerten die Experten aus dem Alpenland, erlaube Aussagen, “an welcher Stelle und mit welcher Belastung der Knochen mit hoher Wahrscheinlichkeit bricht”.

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