Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben in Kooperation mit dem Wyss Institute der Harvard Universität Boston gezeigt, wie mechanisch optimierte Biomaterialkonstrukte, sogenannte Titan Mesh Scaffolds, die Knochenheilung maximal unterstützen.

Das Wachstum von neuer Knochensubstanz ist insbesondere bei der Versorgung großräumiger Defekte von zentraler Bedeutung. Wie die präklinische Studie belegt, kann Regeneration unterschiedlich schnell und effektiv verlaufen, je nach Steifigkeit des jeweiligen Implantatnetzwerkes. Weichere Konstrukte fördern eine Heilung, stellen die Forscher im aktuellen Fachmagazin Science Translational Medicine* fest.

Ausgedehnte Verluste von Knochenvolumen an den Gliedmaßen, die zum Beispiel durch einen Unfall, eine Knocheninfektion oder bei Patienten mit Knochentumoren entstehen können, stellen aus therapeutischer Sicht und in der Unfallchirurgie eine Herausforderung dar.

Knochendefekte dieser Art können nicht allein zur Ausheilung kommen und führen im schlimmsten Fall zum Verlust der Gliedmaße. Eine Möglichkeit der Behandlung besteht darin, körpereigenes Knochengewebe in entsprechender Größe und Stärke zu transplantieren.

Dies gelingt oft nur begrenzt. Alternativ können beispielsweise am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité Patienten mit großen Knochendefekten mit einer individuell angefertigten Titannetzwerkstruktur, einem sogenannten Titan Mesh Scaffold, versorgt werden.

Hierfür wird ein dreidimensionaler Datensatz des betroffenen Knochens und des Defektes mittels Computertomographie erstellt. Mit einer speziellen Lasertechnik kann daraufhin der entsprechende Titan Mesh Scaffold im 3D-Druckverfahren individuell für den jeweiligen Patienten angefertigt werden.

Während einer Operation wird dieser passgenau in den vorliegenden Knochendefekt eingesetzt. Insgesamt 19 Patienten sind bisher an der Charité mit einem derartigen Implantat versorgt worden, mit zukunftsweisenden Ergebnissen.

Um die Knochenheilung anzuregen, wird der Titan Mesh Scaffold zusätzlich mit körpereigenem Knochen, Wachstumsfaktoren und Knochenersatzmaterial gefüllt. Ob das Design der Titannetzwerke daneben auch mechanisch optimiert und der Heilungsprozess noch weiter angeregt werden kann, hat jetzt ein interdisziplinäres Team aus Unfallchirurgen, Ingenieuren, Tierärzten und Biologen um Dr. Anne-Marie Pobloth vom Julius Wolff Institut der Charité geprüft.

„Wir haben zunächst am Computermodell ein Scaffold in standardisierter Größe mechanobiologisch weiterentwickelt. Anschließend konnten wir im Großtiermodell den tatsächlichen Einfluss auf die Knochenheilung untersuchen. Da hierbei der Knochenheilungsprozess dem des Menschen sehr ähnlich ist, lassen sich Rückschlüsse auf dessen Heilung ziehen“, erklärt die Fachtierärztin.

Der weiterentwickelte Scaffold besteht aus einer sich wiederholenden honigwabenartigen Struktur, die das Einwachsen von Knochengewebe durch Kanäle noch besser leiten soll. Variierende Durchmesser im Inneren der Konstruktion sorgen für unterschiedliche Festigkeitsoptionen.

„Wir haben angenommen, dass in Abhängigkeit von der Steifigkeit des Implantatnetzwerkes die Knochensubstanz unterschiedlich effektiv wächst. Daher haben wir den Effekt der mechanischen Stimulation während des Heilungsprozesses in vier Testgruppen bei variierender Steifigkeit untersucht“, so Prof. Dr. Georg N. Duda, Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration und Vize-Direktor des BCRT.

Mit eindeutigem Resultat, wie Unfallchirurg Privatdozent Dr. Philipp Schwabe ergänzt: „Es hat sich gezeigt, dass weiche Implantate, die in Kombination mit einem klinisch anerkannten Plattensystem eine höhere mechanische Stimulation der Knochenheilung zulassen, bereits nach drei Monaten auf Röntgenaufnahmen eine schnellere Knochenbildung abbilden als die härteren Varianten.“ Die Biomechanik hatte Einfluss auf die Quantität und Qualität des neu gebildeten Knochens sowie den Typ der Knochenneubildung innerhalb des Scaffolds.

Ziel der Forschergruppe ist es nun, mechanobiologisch optimierte, weichere Titan Mesh Scaffolds zur Verfügung zu stellen, so dass auch Patienten von den Erkenntnissen profitieren und Knochendefektheilung künftig einfacher zu gestalten ist. Denkbar ist weiterhin, diese Verfahren nicht nur für den langen Röhrenknochen der oberen und unteren Gliedmaßen einzusetzen, sondern auch im Bereich der Mund-, Kiefer-, Gesichts- und der Wirbelsäulenchirurgie.

*Anne-Marie Pobloth, Sara Checa, Hajar Razi, Ansgar Petersen, James C. Weaver, Katharina Schmidt-Bleek, Markus Windolf, Andras Á. Tatai, Claudia P. Roth, Klaus-Dieter Schaser, Georg N. Duda, Philipp Schwabe. Mechanobiologically optimized 3D titanium-mesh scaffolds enhance bone regeneration in critical segmental defects in sheep. Science Translational Medicine.10, eaam 8828 (2018) 10 January 2018. doi: 10.1126/scitranslmed.aam8828.

Kontakt:
Prof. Dr. Georg N. Duda
Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration/ Stellvertretender Direktor des Berlin-Brandenburger Centrums für Regenerative Therapien (BCRT)
Charité – Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 559 079
georg.duda[at]charite.de

Links:
– Julius Wolff Institut (JWI) https://jwi.charite.de/
– Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien (BCRT) https://www.b-crt.de/
– Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC) https://cmsc.charite.de/