Artikel zur Langlebigkeit

Forscher finden Methode, um Gelenkknorpel nachwachsen zu lassen

forscher finden neue Methode zur Regeneration von Gelenkknorpel bei Mäusen und menschlichem Gewebe
  • Forscher finden einen neuen Weg, Gelenkknorpel bei Mäusen und menschlichem Gewebe zu regenerieren.

  • In der Vergangenheit wurde beschädigter Knorpel durch Mikrofrakturierung behandelt, wobei winzige Löcher in die Gelenkoberfläche gebohrt wurden und der Körper neues Faserknorpelgewebe im Gelenk bildet, das eher Narbengewebe als natürlichem Knorpel ähnelt. 

  • Nun fanden sie heraus, dass die Mikrofrakturierung Skelettstammzellen aktiviert und dass das Molekül Bone Morphogenetic Protein 2 (BMP2) die Knochenbildung nach der Mikrofrakturierung initiiert.

  • Sie stoppten den Prozess jedoch teilweise, indem sie ein anderes Signalmolekül blockierten, was zur Entwicklung von Knorpel führte, dessen Zellen dem natürlichen Knorpel ähneln. 

Dieser Artikel wurde im Stanford School of Medicine News Center veröffentlicht: 

In Laborstudien haben Forscher der Stanford School of Medicine einen Weg gefunden, den Knorpel zu regenerieren, der die Bewegung zwischen den Knochen erleichtert.

Forscher der Stanford University School of Medicine haben eine Möglichkeit entdeckt, bei Mäusen und menschlichem Gewebe das Knorpelpolster in Gelenken zu regenerieren.

Der Verlust dieser rutschigen und stoßabsorbierenden Gewebeschicht, des sogenannten Gelenkknorpels, ist für viele Fälle von Gelenkschmerzen und Arthritis verantwortlich, von denen mehr als 55 Millionen Amerikaner betroffen sind. Fast jeder vierte erwachsene Amerikaner leidet an Arthritis, und weit mehr leiden allgemein unter Gelenkschmerzen und Entzündungen.

Die Stanford-Forscher fanden heraus, wie Gelenkknorpel nachwachsen kann, indem sie zunächst eine leichte Verletzung des Gelenkgewebes verursachen und dann mithilfe chemischer Signale das Wachstum von Skelettstammzellen steuern, während die Verletzungen heilen. Die Arbeit wurde am 17. August in der Zeitschrift Nature Medicine veröffentlicht.

„Knorpel verfügt im Erwachsenenalter praktisch über kein Regenerationspotenzial. Sobald er verletzt oder verschwunden ist, können wir den Patienten nur sehr begrenzt helfen“, sagte Charles KF Chan, Assistenzprofessor für Chirurgie. „Es ist äußerst erfreulich, einen Weg zu finden, dem Körper beim Nachwachsen dieses wichtigen Gewebes zu helfen.“

Die Arbeit baut auf früheren Forschungen in Stanford auf, die zur Isolierung der Skelettstammzelle führten, einer sich selbst erneuernden Zelle, die auch für die Produktion von Knochen, Knorpel und einem speziellen Zelltyp verantwortlich ist, der die Entwicklung von Blutzellen im Knochenmark unterstützt. Die neue Forschung wurde, wie auch frühere Entdeckungen von Maus- und menschlichen Skelettstammzellen, größtenteils in den Labors von Chan und dem Professor für Chirurgie Michael Longaker, MD, durchgeführt.

Gelenkknorpel ist ein komplexes und spezialisiertes Gewebe, das ein glattes und federndes Polster zwischen den Knochen an den Gelenken bildet. Wenn dieser Knorpel durch ein Trauma oder eine Krankheit geschädigt wird oder einfach mit zunehmendem Alter dünner wird, können die Knochen direkt aneinander reiben und Schmerzen und Entzündungen verursachen, die schließlich zu Arthritis führen können.

Beschädigter Knorpel kann durch eine Technik namens Mikrofrakturierung behandelt werden, bei der winzige Löcher in die Oberfläche eines Gelenks gebohrt werden. Die Mikrofrakturierungstechnik regt den Körper dazu an, neues Gewebe im Gelenk zu bilden, das neue Gewebe ähnelt jedoch kaum einem Knorpel.

„Mikrofrakturen führen zu sogenanntem Faserknorpel, der eigentlich eher Narbengewebe als natürlichem Knorpel ähnelt“, sagte Chan. „Es bedeckt den Knochen und ist besser als nichts, aber es hat nicht die Sprungkraft und Elastizität des natürlichen Knorpels und neigt dazu, relativ schnell abzubauen.“

Die jüngste Forschung entstand teilweise durch die Arbeit des Chirurgen Matthew Murphy, PhD, einem Gastforscher in Stanford, der jetzt an der University of Manchester ist. „Ich hatte nie das Gefühl, dass irgendjemand wirklich verstanden hat, wie Mikrofrakturierung wirklich funktioniert“, sagte Murphy. „Mir wurde klar, dass der einzige Weg, den Prozess zu verstehen, darin bestand, zu untersuchen, was Stammzellen nach der Mikrofrakturierung tun.“ Murphy ist der Hauptautor des Artikels. Chan und Longaker sind Co-Senior-Autoren.

Lange Zeit, so Chan, sei man davon ausgegangen, dass sich erwachsener Knorpel nach einer Verletzung nicht regeneriere, weil das Gewebe nicht über viele Skelettstammzellen verfüge, die aktiviert werden könnten. Anhand eines Mausmodells dokumentierte das Team, dass die Mikrofrakturierung Skelettstammzellen aktivierte. Wenn diese aktivierten Skelettstammzellen jedoch sich selbst überlassen blieben, regenerierten sie den Faserknorpel im Gelenk.

Aber was wäre, wenn der Heilungsprozess nach einer Mikrofrakturierung in Richtung Knorpelentwicklung und weg von Faserknorpel gelenkt werden könnte? Die Forscher wussten, dass Zellen bei der Knochenentwicklung zunächst ein Knorpelstadium durchlaufen müssen, bevor sie sich in Knochen verwandeln. Sie hatten die Idee, dass sie die Skelettstammzellen im Gelenk dazu ermutigen könnten, sich auf den Weg zur Knochenbildung zu begeben, den Prozess jedoch im Knorpelstadium stoppen könnten.

Die Forscher nutzten ein leistungsstarkes Molekül namens Bone Morphogenetic Protein 2 (BMP2), um die Knochenbildung nach einer Mikrofrakturierung einzuleiten, stoppten den Prozess dann jedoch auf halbem Weg mit einem Molekül, das ein anderes für die Knochenbildung wichtiges Signalmolekül, den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF), blockierte.

„Am Ende haben wir Knorpel erhalten, der aus der gleichen Zellart wie natürlicher Knorpel mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften besteht, im Gegensatz zu dem Faserknorpel, den wir normalerweise bekommen“, sagte Chan. „Außerdem stellte es die Beweglichkeit osteoarthritischer Mäuse wieder her und reduzierte ihre Schmerzen deutlich.“

Als prinzipiellen Beweis dafür, dass dies auch beim Menschen funktionieren könnte, übertrugen die Forscher menschliches Gewebe in Mäuse, die so gezüchtet wurden, dass sie das Gewebe nicht abstoßen, und konnten zeigen, dass menschliche Skelettstammzellen in die Knochenentwicklung gelenkt werden konnten, aber am Knorpel stoppten Bühne.

Die nächste Forschungsstufe besteht darin, ähnliche Experimente an größeren Tieren durchzuführen, bevor mit klinischen Studien am Menschen begonnen wird. Murphy weist darauf hin, dass es aufgrund der Schwierigkeit, mit sehr kleinen Mausgelenken zu arbeiten, möglicherweise einige Verbesserungen am System geben könnte, wenn sie sich in relativ größere Gelenke bewegen.

Die ersten klinischen Versuche am Menschen könnten für Menschen mit Arthritis in den Fingern und Zehen durchgeführt werden. „Wir könnten mit kleinen Gelenken beginnen, und wenn das funktioniert, würden wir zu größeren Gelenken wie den Knien übergehen“, sagt Murphy. „Eine der häufigsten Operationen bei Arthritis in den Fingern ist derzeit die Entfernung des Knochens an der Daumenbasis. In solchen Fällen versuchen wir vielleicht, das Gelenk zu retten, und wenn es nicht funktioniert, entfernen wir einfach den Knochen, wie wir es ohnehin getan hätten. Es gibt ein großes Verbesserungspotenzial, und die Kehrseite ist, dass wir wieder dort wären, wo wir vorher waren.“

Longaker weist darauf hin, dass ein Vorteil ihrer Entdeckung darin besteht, dass die Hauptbestandteile einer möglichen Therapie von der FDA als sicher und wirksam zugelassen sind. „BMP2 wurde bereits zur Unterstützung der Knochenheilung zugelassen und VEGF-Inhibitoren werden bereits als Krebstherapie eingesetzt“, sagte Longaker. „Dies würde dazu beitragen, die Zulassung jeder von uns entwickelten Therapie zu beschleunigen.“

Eine Gelenkersatzoperation hat die Art und Weise, wie Ärzte Arthritis behandeln, revolutioniert und ist weit verbreitet: Im Alter von 80 Jahren wird einer von zehn Menschen ein Hüftgelenk und einer von 20 ein Knie ersetzen lassen. Ein solcher Gelenkersatz ist jedoch äußerst invasiv, hat eine begrenzte Lebensdauer und wird erst durchgeführt, wenn die Arthritis auftritt und die Patienten unter anhaltenden Schmerzen leiden. Die Forscher sagen, dass sie sich eine Zeit vorstellen können, in der Menschen Arthritis von vornherein vermeiden können, indem sie ihren Knorpel in ihren Gelenken verjüngen, bevor er stark abgebaut wird.

„Eine Idee besteht darin, einem ‚Jiffy Lube‘-Modell zur Knorpelauffüllung zu folgen“, sagte Longaker. „Sie warten nicht darauf, dass sich Schäden ansammeln – Sie gehen regelmäßig hinein und nutzen diese Technik, um Ihren Gelenkknorpel zu stärken, bevor Sie ein Problem haben.“

Diese Studie wurde veröffentlicht in Naturmedizin im August 2020. 



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