Arthrose ist die häufigste Gelenkerkrankung in Deutschland und eine der Hauptursachen für chronische Schmerzen. Verschleiß und chronische Gelenkentzündungen sorgen dafür, dass der Knorpel in Gelenken abgebaut wird, sodass schließlich Knochen auf Knochen reiben. Entzündungshemmende Schmerzmittel können die Symptome lindern und den Abbau verlangsamen, jedoch nicht rückgängig machen. Bisherige Therapieansätze versuchen, den beschädigten Knorpel durch ein gesundes Stück von einer anderen Stelle des Körpers zu ersetzen. Dabei wird allerdings die Entnahmestelle verletzt. Versuche, den Knorpel im beschädigten Gelenk nachwachsen zu lassen, hatten bislang das Problem, dass der nachgewachsene Knorpel weniger stabil war als natürlicher.
Nanogerüst mit elektrischer Aktivität
Ein Team um Yang Lui von der University of Connecticut hat nun einen neuen Ansatz erprobt, der ebenfalls darauf zielt, Knorpel nachwachsen zu lassen. Während frühere Versuche in der Regel mit chemischen Wachstumsfaktoren gearbeitet haben, setzte Luis Team stattdessen auf elektrische Signale. „Studien haben gezeigt, dass Knorpel auf elektrische Stimulation reagiert“, erklären die Forscher. „Elektrische Felder fördern die Geweberegeneration.“ Die Forscher konstruierten daher ein Gerüst aus Nanofasern, die bei mechanischer Belastung eine elektrische Spannung erzeugen, sogenannte Piezoelektrizität. Als Material nutzten sie Poly-L-Milchsäure, ein biologisch abbaubares Polymer, das unter anderem zum Vernähen von Operationswunden verwendet wird.
Tatsächlich gelang es ihnen mit dem neu entwickelten Gerüst, in einer Zellkultur Knorpel nachwachsen zu lassen. Um die Wirksamkeit in echten Gelenken zu testen, fügten die Forscher zunächst mehreren Kaninchen schwere Knorpelschäden im Knie zu, die denen bei von Arthrose betroffenen Menschen ähnelten. Einer Gruppe von Kaninchen implantierten sie dann das piezoelektrische Nanogerüst, einer anderen Gruppe ein ähnliches Nanogerüst ohne piezoelektrische Aktivität. Eine Gruppe ohne Implantat diente als Kontrollgruppe.
Fast vollständige Knorpelregeneration
Nach einer vierwöchigen Erholungsphase nach der Operation unterzogen die Forscher jeweils die Hälfte der Kaninchen aus jeder Gruppe einem Trainingsprogramm. Dabei bekamen die Tiere die Gelegenheit, auf einem Laufband zu hüpfen. Durch die Bewegung wurde bei den Kaninchen mit entsprechendem Implantat das piezoelektrische Material gestaucht und gedehnt und erzeugte so ein schwaches elektrisches Feld. Nach ein bis zwei Monaten töteten die Forscher die Kaninchen und untersuchten, inwieweit sich der Knorpel regeneriert hatte.
Das Ergebnis: Bei den Tieren, die ein piezoelektrisches Implantat erhalten und danach trainiert hatten, hatte sich der beschädigte Knorpel fast vollständig regeneriert. Dabei machte es keinen Unterschied, ob das Training einen oder zwei Monate gedauert hatte. „Schon ein einmonatiges Training führte zu einer erheblichen Knorpelheilung und ließ kaum Raum für weitere Verbesserungen“, erklären die Forscher. Bei Kaninchen hingegen, die kein piezoelektrisches Implantat erhalten oder nicht trainiert hatten, verlief die Knorpelheilung deutlich langsamer.
