Um Gelenkknorpel im Knie zu reparieren, lässt sich Knorpelgewebe aus dem Labor einsetzen. Gezüchtet hat das Gewebe ein Forschungsteam am Departement Biomedizin der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel – und zwar aus Zellen der Nasenscheidewand. Das Gewebe, das dem Nasenknorpel entstammt, hat erstaunliche Eigenschaften. Die Vorläuferzellen stammen aus einem spezialisierten Embryonalgewebe, dem Neuroektoderm. Dieses zeigt eine hohe Regenerations- und Anpassungsfähigkeit und unterscheidet sich darin von Knorpelgewebe der Gelenke. Die Forscher hofften, dass auch im Labor gezüchtetes Gewebe die interessanten Eigenschaften aufweisen würde.
Tissue Engineering mit Gewebe aus dem Nasenknorpel
Erfolg versprechend waren erste klinische Studien bei isolierten Knorpelschäden. Nun berichtet das Team um Prof. Dr. Ivan Martin und Prof. Dr. Andrea Barbero, dass sich der Ansatz auch bei degenerativen Gelenkserkrankungen wie Arthrose eignen könnte.
Arthrose zeichnet sich durch Knorpelabbau aus, wodurch es zu starken Schmerzen bei Bewegungen kommen kann. Die bisherige Therapie bestand darin, die Entzündung und die Schmerzen zu behandeln. Und zwar so lange, bis der Ersatz des Gelenks durch eine Kniegelenkprothese unausweichlich wird. Gelenkprothesen haben jedoch eine beschränkte Haltbarkeit, was insbesondere bei jüngeren Patienten mehrfache Operationen nötig macht.
Gelenkknorpel aus dem Labor als Alternative zu Kniegelenkprothese
Die Reparatur des Gelenkknorpels mithilfe von gezüchtetem Knorpelgewebe könnte eine Alternative sein. Hierfür entnimmt das Forschungsteam eine Gewebeprobe aus der Nasenscheidewand des jeweiligen Patienten. Daran sind orthopädische und plastische Chirurginnen und Chirurgen des Universitätsspitals Basel beteiligt. Im Labor werden die darin enthaltenen Knorpelzellen kultiviert. So entsteht daraus eine Knorpelschicht, die anschließend von Chirurgen ins Kniegelenk eingesetzt wird.
Bei Arthrose ist die Gewebeumgebung im Knie – anders als beispielsweise bei Sportverletzungen – von anhaltenden Entzündungsreaktionen geprägt. „Wir mussten zuerst testen, ob der Knorpelersatz durch die Entzündungsfaktoren angegriffen und degeneriert wird“, erklärt Ivan Martin.
Die Forschenden um Prof. Martins Doktorandin Lina Acevedo Rua, die Projektleiterin Dr. Karoliina Pelttari und den orthopädischen Chirurgen PD Dr. Marcus Mumme testeten zunächst, wie das gezüchtete menschliche Knorpelgewebe auf die Anwesenheit von Entzündungsfaktoren reagiert. Dafür nutzten sie verschiedene Zellkultur-Modelle im Labor und kleine Versuchstiere. Anschließend prüften sie die Haltbarkeit des Knorpelgewebes auch bei gleichzeitiger entzündlicher und mechanischer Belastung. Hierfür setzten sie Knorpelzellen aus der Nase von Schafen im arthrotischen Kniegelenk derselben Tiere ein.
Knorpelzellen haben antientzündlichen Eigenschaften
Die Tierversuche zeigten, dass das Gewebe aus Nasenknorpelzellen sehr robust war. Es schien auch den Entzündungsreaktionen entgegenzuwirken. Weitere Analysen ergaben, dass dieser Effekt vor allem darauf zurückzuführen ist, dass ein bei Arthrose chronisch überaktivierter molekularer Signalweg (der so genannte WNT-Signalweg) durch die Anwesenheit der Nasenknorpelzellen gebremst wurde.
Nach den erfolgreichen Versuchen an Tieren prüften die Forschenden den Ansatz auch an zwei jungen Patienten, die aufgrund einer Fehlstellung der Beinknochen an schwerer Arthrose litten. Der nächste Schritt in ihrer Behandlung wäre sonst eine Kniegelenkprothese gewesen.
Nach Einsetzen des Ersatzknorpels aus patienteneigenen Nasenknorpelzellen berichteten die beiden Probanden, dass ihre Schmerzen abgenommen hätten, ihre Lebensqualität aber gestiegen sei. Bei einem der beiden Patienten konnten die Forschenden zudem mit MRT-Aufnahmen feststellen, dass die Knochen im Kniegelenk wieder einen größeren Abstand zueinander aufwiesen als zuvor – ein Hinweis auf eine Erholung des Gelenks. Beim zweiten Patienten konnten sie aufgrund der Reisebeschränkungen während der Pandemie keine MRT-Aufnahmen anfertigen und ihn nur zu seinen subjektiven Eindrücken befragen.
Zwei Patienten haben gute Chancen, noch länger ohne Kniegelenkprothese auszukommen
Da zudem die Fehlstellung der Knochen bei beiden Patienten chirurgisch korrigiert und damit die wahrscheinlichste Ursache ihrer Arthrose behoben werden konnte, sind die Forschenden zuversichtlich, dass sie noch längere Zeit ohne Kniegelenkprothese auskommen werden.
„Wir haben mit unseren Ergebnissen die biologische Basis für eine Therapie gelegt und sind vorsichtig optimistisch“, so Martin. Nun müsse sich der Ansatz zunächst zur Behandlung der Patellofemoralen Arthrose in vertieften klinischen Studien beweisen. Dafür erhält das Team finanzielle Unterstützung im Rahmen eines Innovationsfokus des Universitätsspitals Basel. Zudem wollen die Forschenden die Methode zukünftig auch für weitere Arten von Arthrose weiterentwickeln, um ein breiteres Spektrum an Patientinnen und Patienten behandeln zu können.
Übersicht der klinischen Studien für interessierte Patientinnen und Patienten:
https://biomedizin.unibas.ch/Nase-zu-Knie
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ivan Martin
Department Biomedizin
Universität Basel, Universitätsspital Basel,
E-Mail: ivan.martin@unibas.ch
