Implantate, wie Herzschrittmacher oder Insulinpumpen, gehören zum medizinischen Tagesgeschäft. Doch nicht selten kommt es nach der Operation zu Komplikationen: Das Immunsystem erkennt das Implantat als Fremdkörper und versucht, dieses abzustoßen. „An sich ist das eine ganz natürliche und nützliche Reaktion des Immunsystems“, sagt der Biophysiker Prof. Dr. Thomas Groth von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Die Reaktion hilft bei der Wundheilung und tötet schädliche Keime ab.
Klingt diese Reaktion nach einigen Wochen aber nicht von selbst ab, kann es zu einer chronischen Entzündung und zu schwerwiegenderen Komplikationen kommen. „Das Immunsystem lockt dann verschiedene Zellen an, die versuchen, den Fremdkörper abzustoßen oder zu isolieren. Dazu gehören zum Beispiel Makrophagen, die so genannten Fresszellen, und weitere Arten von weißen Blutkörperchen, sowie Bindegewebszellen“, erklärt Groth. So könne es passieren, dass ein Implantat mit Bindegewebe verkapselt wird, was für die Betroffenen sehr schmerzhaft sein kann.
Das Implantat kann dann zudem nicht mehr seine eigentliche Funktion ausüben. Häufig kommen für die Behandlung einer chronischen Entzündung Medikamente zum Einsatz, die die Immunreaktion unterdrücken.
Inhaltsverzeichnis
1. Biologisierung der Implantate: Das Immunsystem nicht ausschalten, sondern bremsen
2. Bei Tests ohne Biologisierung trat eine ausgeprägte Entzündung auf
3. Biologisierung bisher nur auf Modelloberflächen in Zellkulturen getestet
Biologisierung der Implantate: Das Immunsystem nicht ausschalten, sondern bremsen
Das Team von Thomas Groth suchte daher nach einem einfachen Weg, das Immunsystem schon im Vorfeld gewissermaßen zu drosseln. „Das ist eine knifflige Angelegenheit“, sagt der Forscher, „denn wir wollen das Immunsystem natürlich nicht komplett ausschalten, weil die Prozesse für die Wundheilung und das Abtöten von Keimen wichtig sind. Wir wollen es also eigentlich nur modulieren.“ Hierfür entwickelte sein Team eine neue Beschichtung für Implantate, die entzündungshemmende Stoffe enthält. Das Team nutzte dafür zwei Stoffe, von denen bereits bekannt ist, dass sie entzündungshemmend wirken: Heparin und Hyaluron-Säure.
Im Labor behandelten die Wissenschaftler eine Oberfläche mit den beiden Materialien, indem sie eine wenige Nanometer dicke Schicht darauf auftrugen. „Die Schicht ist so dünn, dass sie die Funktion des Implantats nicht beeinträchtigt. Sie muss aber so viel Wirkstoff enthalten, dass die Reaktion des Immunsystems so lange kontrolliert wird, bis die Entzündungsreaktion abgeklungen ist“, so Groth weiter.
Bei Tests ohne Biologisierung trat eine ausgeprägte Entzündung auf
In Zellversuchen konnten die Forscher beobachteten, wie die beiden Stoffe von den Makrophagen aufgenommen wurden und so die Entzündung in den Zellproben verringerten, wohingegen unbehandelte Zellen deutliche Anzeichen für eine ausgeprägte Entzündungsreaktion zeigten. Der Grund dafür ist, dass die Wirkstoffe in den Makrophagen einen bestimmten Signalweg behindern, der maßgeblich für die Immunantwort und den Zelltod ist.
„Sowohl Heparin als auch die Hyaluron-Säure verhindern die Ausschüttung bestimmter Botenstoffe, die normalerweise entzündungsfördernd sind. Heparin zeigt dabei eine noch höhere Wirksamkeit, weil es von Makrophagen-Zellen aufgenommen werden kann“, fasst Groth zusammen.
Biologisierung bisher nur auf Modelloberflächen in Zellkulturen getestet
Bisher haben die Forscher das Verfahren nur auf Modelloberflächen und in Zellkulturen erprobt. Weitere Studien an echten Implantaten und in Modellorganismen sollen folgen.
Die Arbeit wurde vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und dem Ministerium für Bildung, Wissenschaft und technologische Entwicklung der Republik Serbien finanziell unterstützt.
Originalpublikation:
Alkhoury H. et al. Studies on the Mechanisms of Anti-Inflammatory Activity of Heparin- and Hyaluronan-Containing Multilayer Coatings-Targeting NF-kB Signaling Pathway. International Journal of Molecular Sciences (2020). doi: 10.3390/ijms21103724
https://doi.org/10.3390/ijms21103724
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