Kardiovaskuläres Tissue Engineering
Kardiovaskuläres Tissue Engineering
Der künstliche Bypass – Tissue Engineering in der Herzchirurgie
Die Bypasschirurgie stellt mit einem Anteil von über 50% den zahlenmäßig größten Anteil im Portfolio der Herzchirurgie dar. Jedes Jahr werden allein in den USA und Deutschland zusammen über 450.000 Bypassoperationen durchgeführt. Obwohl der autologe Gefäßersatz der Goldstandard für den schmalkalibrigen Gefäßersatz ist, steht bei vielen Patienten aufgrund chronischer vaskulärer Erkrankungen autologes Gefäßmaterial nicht in der erforderlichen Menge zur Verfügung.
Als eine Alternative zu autologen Gefäßen stehen zwar bereits Prothesen aus Kunststoff zur Verfügung, diese konnten allerdings bislang nicht mit guten Langzeitergebnissen überzeugen. Daher ist in den letzten Jahrzehnten vermehrt das sogenannte Tissue Engineering in den Vordergrund gerückt. Durch die künstliche Herstellung von biologischen Geweben sollen schmalkalibrige Gefäße erzeugt werden, die aufgrund ihrer hohen Biokompatibilität bessere Langzeitergebnisse versprechen.
In Zusammenarbeit mit dem Chemiker Prof. Klemm aus Jena ist es in den letzten Jahren gelungen künstliche Gefäße aus bakterieller Nanocellulose (BNC) herzustellen (Abb. 1). Die Zellulose wird dabei von Gluconacetobacter xylinus direkt als als dreidimensionaler Zylinder gebildet – ein Vorteil gegenüber gängigen Verfahren, in denen biotechnologisch hergestellte Zellmatten oder ähnliche Konstrukte sekundär zu einem Zylinder umgeformt werden. Durch das in unserer Forschungsgruppe angewandte, patentierte Verfahren wird so verhindert, dass sich die Oberflächeneigenschaften durch den Umformungsprozess verändern.
Durch Einfluss auf die Stellgrößen während der Fertigung der Prothesen im Biorektor kann gezielt und reproduzierbar Einfluss genommen werden auf die Eigenschaften der entstehenden Gefäßprothese, wie etwa Wanddicke, Berstfestigkeit, Faserdichte oder Oberflächenbeschaffenheit.
Es konnte bereits im Großtiermodell gezeigt werden, dass das Material BNC über eine gute Biokompatibilität verfügt und sich aufgrund der Materialeigenschaften hervorragend chirurgisch verwenden lässt (Abb. 2).1,2 Hierzu wurde ein eigenes Großtiermodell etabliert, in dem die Arteria carotis communis von Schafen durch ein Interponat ersetzt wurde. Es zeigte sich eine beginnende Endothelialisierung mit Durchwanderung körpereigener Zellen im Sinne eines Umbaus hin zu einer dreischichtigen Gefäßwandstruktur (Abb. 3).
Im Langzeit Follow-up (>12 Monate) konnten bislang Offenheitsraten bis ca. 70% erreicht werden. Vor einer möglichen Verwendung im Menschen sind Offenheitsraten >90% essentiell. Daher liegt der Forschungsschwerpunkt aktuell in der Evaluation und Verbesserung von verschiedenen, neuartigen BNC-Varianten. Hierzu wurde eigens ein sog. Chandler-Loop Modell etabliert (Abb. 4). In dieser in vitro Versuchsanlage können die Wechselwirkungen zwischen den zellulären und azellulären Bestandteilen des Blutes und der BNC-Oberfläche erforscht werden. Mittels verschiedener Beschichtungen mit z.B. Endothelfängermolekülen soll das Einwachsen der Gefäßprothese weiter verbessert werden. Um in künftigen in vivo Versuchen bessere Ergebnisse zu erzielen, soll in einem in-vitro Flowsimulator die Epithelialisierung charakterisiert und verbessert werden.
Interessierte Studenten mit dem Wunsch einer Promotion können sich jederzeit initiativ bewerben.