Implantate "aus eigenen Zellen" können Rückenschmerzen lindern

By | 27 November 2018

Rücken- und Nackenschmerzen sind oft die Folge einer fortschreitenden Schädigung der Bandscheiben, die die Wirbel der Wirbelsäule trennen. Dank der neuen multidisziplinären Forschung haben wir möglicherweise bald eine bessere Lösung für dieses Problem: Bioengineering-Scheiben, die aus den eigenen Zellen eines Menschen entwickelt wurden.
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Können Forscher aus Stammzellen neue Bandscheiben erzeugen?

Können Forscher aus Stammzellen neue Bandscheiben erzeugen?

Bandscheibendegeneration ist ein häufiges Problem, das einen großen Teil der Bevölkerung betrifft.

Im Allgemeinen wirken gesunde Bandscheiben, indem sie die Spannung in der Wirbelsäule absorbieren, wenn wir uns bewegen und unsere Haltung auf eine Art und Weise anpassen, die der Federung eines Autos ähnelt.

Wenn diese Scheiben abgenutzt sind, kann dies an mehreren Stellen im Rücken oder im Nacken einer Person Schmerzen verursachen.

Bisher umfasst die Behandlung der Bandscheibendegeneration die Operation der Wirbelsäulenfusion und den Ersatz beschädigter durch künstliche Bandscheiben.

Diese Ansätze bieten jedoch nur begrenzte Vorteile, da sie die volle Funktion der Bandscheiben, die sie ersetzen, nicht wiederherstellen können.

Ein multidisziplinäres Forschungsteam der Medizinischen Fakultät, der Perelman School of Engineering and Applied Sciences der University of Pennsylvania und der Veterinärmedizinischen Fakultät versucht nun, dieses Problem durch die Entwicklung von Bandscheiben aus Stammzellen zu lösen von jedem einzelnen.

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Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die das Potenzial haben, sich in eine spezialisierte Zelle zu "verwandeln". Aus diesem Grund wurden sie zum Schwerpunkt mehrerer medizinischer Forschungsstudien, einschließlich der aktuellen.

Forscher der University of Pennsylvania haben in den letzten 15-Jahren an Scheibenmodellen für die Biotechnik gearbeitet, zunächst in Laborstudien, dann in Studien mit kleinen Tieren und in jüngster Zeit in Studien mit großen Tieren.

„Dies ist ein wichtiger Schritt: Um eine so große Scheibe im Labor zu züchten, legen Sie sie in den Plattenplatz ein und lassen Sie sie sich dann in das umgebende native Gewebe integrieren. Das ist sehr vielversprechend “, sagt Professor Robert L. Mauck, Co-Hauptautor der aktuellen Studie.

"Der derzeitige Pflegestandard stellt die Disc nicht wirklich wieder her. Wir hoffen daher, dass dieses Gerät sie auf biologische und funktionelle Weise ersetzt und den gesamten Bewegungsumfang wiederherstellt", fügt er hinzu.

Bisher erfolgreiche Tierversuche

Zuvor testeten die Forscher die neuen Scheiben, sogenannte "Disc-like-Angle-Layer-Strukturen" (DAPS), in Rattenschwänzen für 5-Wochen.

In der neuen Studie, deren Ergebnisse in der Fachzeitschrift Science Translational Medicine erscheinen, entwickelte das Team noch mehr gestaltete Scheiben. Dann testeten sie das neue Modell namens "modified DAPS with end plate" (eDAPS) erneut an Ratten, diesmal jedoch bis zu 20 Wochen.

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Die neue Struktur der Bioengineering-Scheibe ermöglicht es ihr, ihre Form besser beizubehalten und sich leichter in das umgebende Gewebe zu integrieren.

Nach mehreren Tests (MRT-Scans und mehrere gründliche Gewebe- und mechanische Analysen) stellten die Forscher fest, dass das eDAPS im Rattenmodell die Struktur und Funktion der Originalscheibe wirksam wiederherstellte.

Dieser erste Erfolg motivierte das Forscherteam, eDAPS bei Ziegen zu untersuchen, und sie implantierten das Gerät in die Halswirbelsäule einiger Tiere. Die Wissenschaftler entschieden sich für die Arbeit mit Ziegen, weil die Halswirbelsäulenscheiben von Ziegen, wie sie erklären, ähnliche Dimensionen wie die von Menschen haben.

Darüber hinaus haben Ziegen eine halb vertikale Statur, die es Forschern ermöglicht, ihre Studie den Versuchen am Menschen einen Schritt näher zu bringen.

"Ein sehr guter Grund, optimistisch zu sein"

Erfolgreich waren auch die Tests der Ziegenforscher. Sie stellten fest, dass sich das eDAPS gut in das umliegende Gewebe einfügt und dass die mechanische Funktion der Bandscheiben mit der der ursprünglichen Halsscheiben der Ziegen übereinstimmt, wenn nicht sogar übertroffen wird.

"Ich finde es wirklich aufregend, dass wir so weit gekommen sind, vom Rattenschwanz bis zu Implantaten in Menschengröße", sagt Dr. Harvey E. Smith, Mitautor der Studie.

»Wenn wir uns den Erfolg in der Literatur über mechanische Geräte ansehen, gibt es meines Erachtens einen sehr guten Grund, optimistisch zu sein, dass wir denselben Erfolg erzielen könnten, wenn wir ihn nicht mit den konstruierten Scheiben überwinden würden.«

Dr. Harvey E. Smith

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Die Forscher sagen, dass der nächste Schritt die Durchführung zusätzlicher und umfassenderer Tests an Ziegen umfassen wird, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Funktionsweise von eDAPS besser zu verstehen.

Darüber hinaus plant das Forscherteam, eDAPS in Degenerationsmodellen der menschlichen Bandscheibe zu testen, sodass eine Annäherung an klinische Studien erwartet wird.

"Es gibt viele Möglichkeiten, ein biologisches Gerät aus Ihren eigenen Zellen zu implantieren", sagt Dr. Smith etwas, über das wir nachdenken. Sie haben es in der Orthopädie noch nicht gemacht. "

"Ich denke, es wäre ein Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wir diese Wirbelsäulenerkrankungen wirklich behandeln und wie wir die Wiederherstellung von Gelenken ohne Bewegung angehen", fährt er fort.


[Titel erweitern = »Referenzen«]

  1. Prävalenz und Verteilung der Bandscheibendegeneration in der Wirbelsäule einer Population: die Untersuchung der Wakayama-Wirbelsäule https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1063458413010029
  2. Bandscheibenerkrankung https://ghr.nlm.nih.gov/condition/intervertebral-disc-disease
  3. Langzeitmechanische Funktion und Integration einer implantierten Bandscheibe aus Tissue Engineering http://stm.sciencemag.org/content/10/468/eaau0670

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