Warum sich künstliche Gelenke lockern

Für ihre wegweisenden Arbeiten zu Entzündungsprozessen an Gelenkprothesen ist Dr. Ulrike Dapunt von der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg nun mit dem Anita und Friedrich Reutner Preis der Medizinischen Fakultät Heidelberg ausgezeichnet worden.

Etwa ein bis zwei Prozent der Gelenkprothesen lockern sich frühzeitig nach der Implantation, häufig hervorgerufen von einer hartnäckigen bakteriellen Infektion. Aber nicht die Aktivität der Bakterien oder deren Absonderungen schädigen direkt den Knochen.

Vielmehr fördern körpereigene Immunzellen im Laufe der chronischen Entzündung dessen Abbau, wie Dr. Dapunt in ihren Forschungsprojekten entdeckte. Neu ist auch die Erkenntnis, wie die Immunzellen die in einer schleimigen Schutzschicht verborgenen Eindringlinge überhaupt erkennen. Die Wissenschaftlerin identifizierte erstmals ein Protein aus diesem sogenannten Biofilm, das die Immunantwort auslöst.

Derzeit erforscht sie die molekularen Signalwege, über die Immunzellen das Biofilm-Protein wahrnehmen, und prüft, ob eine gezielte Blockade eine Lockerung des Implantats verhindern kann.

Mit dem jährlich vergebenen und mit 7.000 Euro dotierten Preis unterstützt Stifter Professor Dr. Friedrich Reuter, Ehrensenator der Universität Heidelberg, Nachwuchswissenschaftler der Medizinischen Fakultät, die noch keine etablierte Position innehaben.

In Deutschland erhalten etwa 330.000 Patienten jährlich ein künstliches Gelenk, eine sogenannte Endoprothese, meist in Hüfte oder Knie. Kunstgelenke sind aber derzeit noch längst nicht so haltbar wie das natürliche Original: Nach durchschnittlich 15 bis 20 Jahren muss die Prothese wegen Lockerung und Verschleiß ausgetauscht werden.

Lockert sich die Endoprothese bereits deutlich früher, liegt das meist daran, dass sich das Gelenk entzündet hat. Häufig sind die Übeltäter an sich harmlose Bakterien, die bei der Implantation von der Haut des Patienten in die Operationswunde gelangen und sich auf der Oberfläche der Prothese ansiedeln.

Aber auch Abriebpartikel des Kunstgelenks stehen im Verdacht, eine Entzündung des umliegenden Gewebes hervorzurufen. Beides lässt sich derzeit nur schwer in den Griff bekommen, neben einer Behandlung mit Antibiotika bleibt in der Regel nur der Austausch der Prothese. Eine solche Wechseloperation ist aufwändig, kostet mehr Knochensubstanz als die erste Implantation und ist speziell für ältere und geschwächte Patienten sehr belastend.

Botenstoffe des Immunsystems aktivieren Knochen abbauende Zellen

Infektionen an Kunstgelenken sind deshalb so schwierig zu bekämpfen, weil die Bakterien regelrechte Filme auf der Implantat-Oberfläche bilden und sich mit einer schleimigen Schutzschicht umgeben. „Weder Immunsystem noch Antibiotika kommen gut an sie heran“, erklärt Dapunt.

Ist das Implantat aber erst von Biofilmen überzogen, bildet sich die Knochensubstanz zurück und die Prothese verliert den Halt. „Diese Problematik ist bekannt. Ausgedehnte Biofilme finden sich bei entzündeten und gelockerten Gelenkprothesen, die entfernt werden mussten. Wie es zum Knochenabbau kommt, konnte man bisher nicht erklären,“ so die 33-jährige Österreicherin.

Mit Hilfe von Zellkulturen und durch eine Untersuchung von Gewebeproben nahm sie die Immunreaktionen zwischen Knochen und Biofilm genauer unter die Lupe. Sie entdeckte, dass während der anhaltenden Abwehrreaktion Botenstoffe ausgeschüttet werden, die bestimmte Zellen, sogenannte Osteoklasten aktivieren.

Diese bauen Knochensubstanz ab und spielen sonst bei normalen Umbauprozessen des Knochens eine wichtige Rolle. Das Signal zum Knochenabbau kommt im Laufe der Entzündung sowohl von Immunzellen als auch Zellen des Knochengewebes selbst.

Neuer Therapieansatz könnte Lockerung von Gelenkprothesen verhindern

Doch wie erkennt das Immunsystem die im Schleim verborgenen Eindringlinge? „Man ging bisher davon aus, dass das Immunsystem die Bakterien im Biofilm gar nicht wahrnimmt. Aber das stimmt nicht. Wir fanden in der Bakterienmatrix ein Protein namens GroEL, das Immunzellen aktiviert. Sie attackieren dann den Biofilm – offensichtlich bei den Patienten, die eine chronische Infektion entwickeln, weniger erfolgreich als bei denen ohne diese Problematik“, so Dapunt, die seit 2015 im Olympia-Morata-Habilitationsprogramm der Medizinischen Fakultät Heidelberg gefördert wird, das qualifizierte Ärztinnen und Wissenschaftlerinnen bei der Habilitation unterstützt.

Einen Rezeptor der Immunzellen für dieses Protein konnte sie vor Kurzem mit Kollegen des Instituts für Immunologie und des Pathologischen Instituts am Universitätsklinikum Heidelberg identifizieren. Daran wollen die Wissenschaftler zukünftig weiter forschen und, wenn möglich, Eiweiße entwickeln, die diesen Erkennungsmechanismus blockieren. Ziel ist es, ein ergänzendes therapeutisches Konzept zu entwickeln, das, zusätzlich zur Bekämpfung der Bakterieninfektion, die überschießende Immunreaktion gezielt eindämmt, bevor der Knochen Schaden nimmt.

Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät Heidelberg Krankenversorgung, Forschung und Lehre von internationalem Rang

Das Universitätsklinikum Heidelberg ist eines der bedeutendsten medizinischen Zentren in Deutschland; die Medizinische Fakultät der Universität Heidelberg zählt zu den international renommierten biomedizinischen Forschungseinrichtungen in Europa. Gemeinsames Ziel ist die Entwicklung innovativer Diagnostik und Therapien sowie ihre rasche Umsetzung für den Patienten. Klinikum und Fakultät beschäftigen rund 12.600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und engagieren sich in Ausbildung und Qualifizierung.

In mehr als 50 klinischen Fachabteilungen mit ca. 1.900 Betten werden jährlich rund 66.000 Patienten voll- bzw. teilstationär und mehr als 1.000.000 mal Patienten ambulant behandelt. Das Heidelberger Curriculum Medicinale (HeiCuMed) steht an der Spitze der medizinischen Ausbildungsgänge in Deutschland. Derzeit studieren ca. 3.500 angehende Ärztinnen und Ärzte in Heidelberg.

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Kontakt
Dr. med. Ulrike Dapunt
Universitätsklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie Heidelberg
Tel: 06221 56-25000
E-Mail: Ulrike.Dapunt@med.uni-heidelberg.de