Zukunftsfähige medizinische Implantate

Kardiovaskuläres Tissue Engineering auf der Basis einer
biologischen Matrix
Autor:
PD Dr. med. Stefan Jockenhövel 1
Einrichtung:
1 Institut für Angewandte Medizintechnik, Abt. Tissue Engineering & Biomaterialien -
Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen
Abstract
Implantate sind im Bereich der Herzchirurgie und Kardiologie weit verbreitet. Sie
reichen von konventionellen oder interventionellen Herzklappen- und Gefäßprothesen
über Stents bis hin zu hoch komplexen Herz-Unterstützungssystemen und
implantierbaren Schrittmachern, bzw. Defibrillatoren. Die aktuellen Prothesen sind
jedoch vor allem aufgrund ihrer Materialeigenschaften in ihrer Anwendung
beschränkt. Das kardiovaskuläre Tissue Engineering hat in den letzten beiden Jahrzehnten
erheblich Fortschritte in der Entwicklung vitaler Prothesen gemacht.
Ausgehend von verschiedenen Trägerstrukturen, den sogenannten Scaffolds, haben
einige dieser hoch-komplexen Implantate inzwischen den Weg in die Klinik gefunden.
Der Scaffold spielt eine zentrale Rolle bei der Synthese neuer Gewebe. Er ist für die
Formgebung, Zell-zu-Zell-Interaktion und somit für die Gewebeneogenese von
wesentlicher Bedeutung. Fibrin stellt hierbei einen besonderen Scaffold dar, der eine
Vielzahl von „idealen Eigenschaften einer Trägerstruktur besitzt. Zunächst lässt sich
Fibrin aus dem Blut der Patienten autolog isolieren. Die kontrollierte Polymerisation,
vergleichbar einem 2-Komponenten-Kleber, erlaubt die Herstellung auch komplexer
Strukturen mit Hilfe einer eigens entwickelten Spritzgusstechnik. Hierbei werden die
Zellen homogen über die Trägerstruktur verteilt, so dass zeitraubende
Einsprossungsprozesse entfallen. Neben der Nutzung körpereigene Wachstumsfaktoren
während der Fibrin-Gel-Isolation können spezifische Wachstumsfaktoren
über eine Heparin-Bindung an das Fibrin-Konstrukt angekoppelt werden und somit
das Gewebewachstum lokal beeinflussen. Im Gegensatz zu synthetischen Polymerstrukturen
kann der Abbau der Fibrin-Gel-Matrix über die Zugabe von Proteaseninhibitoren
(Tranexamsäure, Aprotinin etc.) noch während der Kultivierung an das
individuelle Gewebewachstum angepasst werden.
Die Vorteile des fibrin-basierten Tissue engineerings haben in den letzten Jahren den
Weg zu neuen Implantaten geebnet, die ohne körperfremde Materialien, wie im Fall
der vollständig autologen Herzklappe und der ex vivo Expansion von Perikard
gezeigt werden konnte, bzw. die nur mit einem minimalen Einsatz von synthetischen
Biomaterialien auskommen, wie im Falle des der kleinlumigen Gefäßprothese,
Vascular Composite Grafts. Darüber hinaus hat sich inzwischen in vielen Bereichen
Fibrin als „Cell Carrier“ bewährt und ermöglicht die Biologisierung konventioneller
Implantate, wie beispielsweise von unterschiedlichen Stentstrukturen.
Die Entwicklung Fibrin-basierter Implantate von der Isolation der autologen Fibrin-
Gel-Matrix, über die Herstellung im Spritzgussverfahren und die anschließende
Kultivierung in spezifischen Bioreaktorsystemen bis hin zur Evaluation dieser
biologischen Implantate im Tiermodell wird Gegenstand des Vortrags sein.
Dr. med. Stefan Jockenhövel