Vorläuferzellen statt Transplantation

Die meisten Knochenbrüche heilen vollständig und ohne Narbenbildung aus. Besonders grosse Knochendefekte, die durch schwere Verletzungen, eine Infektion oder eine Tumoroperation entstanden sind, heilen jedoch oft nicht auf natürliche Weise und machen eine Knochentransplantation erforderlich. Mit weltweit etwa zwei Millionen Transplantationen pro Jahr sind Knochen nach Blut das am zweithäufigsten transplantierte Gewebe. Die Verfügbarkeit von Transplantaten ist jedoch begrenzt und ihre Regenerationsfähigkeit häufig gering.

Eine vielversprechende Alternative sind zellbasierte Therapien. Im Labor hergestelltes Gewebe aus Vorläuferzellen wie den multipotenten Stromazellen (MSC) könnte die üblichen Knochentransplantate ersetzen. Dass das funktioniert, konnten jetzt Forscher des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) gemeinsam mit Kollegen von der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität (PMU) Salzburg zeigen. Entscheidend dabei: Es ist nicht egal, aus welchem Gewebe – Fett, Haut oder Knochen – diese Stromazellen entnommen werden.

Multipotente Stromazellen (MSC) sind die Vorläuferzellen in verschiedenen Bindegeweben, die in unterschiedliche Zelltypen wie Fett-, Knorpel- und Knochenzellen differenzieren können. Anders als bisher angenommen hat jedoch die Quelle der Zellen einen entscheidenden Einfluss darauf, wie gross ihre Fähigkeit zur Knochenregeneration ist.

Im Gegensatz zu Zellen aus weissem Fettgewebe, der Nabelschnur oder der Haut besitzen nur MSC aus dem Knochenmark die Fähigkeit, funktionsfähigen Knorpel zu bilden. Das liegt an einer epigenetischen Signatur, die festlegt, welche Gene während der Zelldifferenzierung zugänglich sind und in welcher Reihenfolge diese aktiviert werden.

«Der Knorpel, den wir in der Kulturschale herstellen können, entspricht einem wichtigen Zwischenprodukt für die Bildung von mineralisiertem Knochengewebe. Wir konnten bei Mäusen zeigen, dass die Transplantation der vitalen menschlichen Knorpelscheiben zu einer vollständigen Heilung von grossen Knochendefekten führt», sagt Dr. Sven Geissler vom BIH Center für Regenerative Therapien und einer der Senior-Autoren der Studie. «Im Tier bilden die transplantierten menschlichen Zellen in den Knorpelscheiben auch das initiale Knochengewebe, das am Ende der vollständigen Heilung durch körpereigene Zellen der Maus ersetzt wird.»

In Ihrer Arbeit beschreiben die Forscher einen neuen epigenetischen Mechanismus, der für das regenerative Potenzial der Stromazellen verantwortlich ist und die Knochenheilung reguliert. Hierbei handelt es sich um ein komplexes Netzwerk an Enhancern in der DNA der Zellen. Dieses Enhancer-Netzwerk ist in diesen Zellen in besonderer Weise zugänglich und aktiv und bestimmt damit den Verlauf und den Erfolg einer Gewebe-Regeneration.

«Unsere Studie leistet einen wesentlichen Beitrag zur Auswahl von geeigneten Zellen für eine effektive Behandlung schwer heilender Knochenbrüche. Das hier erzielte Wissen um derartige gewebespezifische Enhancer-Signaturen kann auch dazu beitragen, andere zellbasierte Therapien zu verbessern», sagt Prof. Dirk Strunk vom Institut für Experimentelle und Klinische Zelltherapie der Paracelsus Medical University (PMU) Salzburg und ebenfalls Senior-Autor der Studie.

Damit aus dem neuen Ansatz eine zuverlässige Therapieoption für grosse Knochendefekte in der Orthopädie und Unfallchirurgie wird, sind noch weitere Entwicklungsschritte notwendig. So wollen die Forscher um Sven Geissler und Dirk Strunk nun prüfen, wie sich die Knorpelscheiben aus den Stromazellen automatisiert herstellen lassen und ob für die Therapie auch körperfremde Zellen von Spendern geeignet sind. Ansonsten müssten Patienten nach der Entnahme eigener Zellen bis zur Produktion und dem Implantat der Knorpelscheiben bis zu fünf Wochen warten. Die bisherigen Untersuchungen geben hier aber Anlass zur Zuversicht.PS

Quelle: Berlin Institute of Health in der Charité (BIH)/Pressemitteilung, 29.03.2023