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Artikel und Hintergründe zum Thema

Regenerative Medizin

Dr. Jessica Daecke, Dr. Lluis Quintana,

Von der Wurstpelle zum Zellimplantat

Das noch junge Feld der regenerativen Medizin hat sich in den vergangenen Jahren als Hoffnungsträger für bisher schwer therapierbare Erkrankungen, wie z.B. der Herzinsuffizienz, rasant entwickelt.

Die mit Zellen bewachsene CCC-Membran lässt sich leicht für die vielfältige Weiterverarbeitung transferieren (Bilder: Naturin Viscofan).

Um die Funktionsfähigkeit erkrankter oder geschädigter Organe wie Herzmuskel, Knorpel oder Haut wieder herzustellen, können beispielsweise Implantate aus vordifferenzierten Zellschichten zerstörtes Gewebe vorübergehend bis zum körpereigenen Wiederaufbau ersetzen. Alternativ geben implantierte Stammzellen durch die Abgabe von chemischen Faktoren Impulse, welche die Regeneration fördern. Entscheidend für die Wirksamkeit und damit den therapeutischen Erfolg beider Ansätze ist allerdings, dass das Implantat lange genug vital an der richtigen Stelle agieren kann. So wurden zum Beispiel große Hoffnungen in die Injektion von Stammzellen in den geschädigten Herzmuskel von Herzinfarktpatienten gesetzt, der durch ausgedehntes, starres Narbengewebe nicht mehr in der Lage ist, effizient Blut zu pumpen.

Obwohl der positive parakrine Mechanismus für Stammzellen bekannt ist, brachte die Injektion im Tiermodell keinen Effekt, da die Zellen schon nach wenigen Stunden aus dem Herzmuskel verloren gingen oder abstarben. Wie also lässt sich verhindern, dass die Zellen von dem Ort, an dem sie benötigt werden, weggeschwemmt werden? Und wie kann vermieden werden, dass die therapeutischen Zellen nach dem Transfer schnell absterben, weil sie ohne den überlebenswichtigen Kontakt zu Nachbarzellen und dem extrazellulären Matrixgerüst, das sie normalerweise umgibt, nicht überleben?

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Kollagenmembranen als biokompatible Zellträger

Die Lösung dieser Probleme nahm 2005 ihren Anfang bei Naturin Viscofan, dem traditionsreichen Spezialisten für die Herstellung von Wursthüllen aus Rinderhautkollagen. Kollagen ist ein Protein, das den größten Anteil in der extrazellulären Matrix aller Säugetiere ausmacht und als naturnaher Untergrund für die Kultur von adhärenten Zellen schon lange bewährt ist. Zellkulturprodukte zu diesem Zweck werden in der Regel aus der löslichen Kollagenfraktion hergestellt und sind als sehr dünne Beschichtungen oder halbfeste Hydrogele erhältlich.

Auf der Suche nach einer zellverträglichen Matrix, die dabei noch reißfest und elastisch ist, stießen die Tübinger Forscher Prof. Dr. Lothar Just und Dr. Timo Schmidt auf die völlig anders aufgebauten Kollagenfolien von Naturin Viscofan und waren von deren hervorragenden Eignung für die Kultivierung verschiedenster Zelltypen und den einzigartigen praktischen Eigenschaften schnell überzeugt (Tabelle 1 in [1]). „Kaum jemandem ist bewusst, dass an Wursthüllen sehr hohe Ansprüche gestellt werden. Sie müssen für die Befüllung sehr reißfest und dehnbar und dabei extrem dünn sein, um beim Verzehr nicht zu stören. Außerdem müssen sie hohe Temperaturen aushalten und dürfen als Lebensmittel natürlich nicht mit beliebigen chemischen Hilfsstoffen hergestellt werden“, führt Dr. Lluís Quintana aus, Bereichsleiter des 2008 gegründeten Geschäftszweigs Viscofan BioEngineering. „In dieser größten Kollagenfabrik der Welt am Standort Weinheim stecken über 80 Jahre Entwicklungsarbeit und große Mengen firmeneigener Technologie“, so Quintana weiter.

Chemische Quervernetzungskomponenten nicht notwendig

Viscofan BioEngineering entwickelt die Kollagenfolien speziell für die biomedizinische Forschung weiter. Was die Collagen Cell Carrier (CCC) genannte Membran in diesem Markt besonders macht, ist ihr Aufbau aus hochreinen und schonend aufgearbeiteten Kollagen-Typ-I-Fasern aus der unlöslichen Kollagenfraktion. Diese langen Fasern werden zu einer nur 20 µm dünnen Folie verarbeitet, in der sie als dichtes Netzwerk angeordnet sind. Diese Beschaffenheit verleiht dem Material seine hohe mechanische Stärke, die ohne den Zusatz chemischer Quervernetzungskomponenten auskommt und dadurch seine besondere Biokompatibilität bewahrt.

Für die Verwendung in der Zellkultur wird die Membran in unterschiedlichen Größen für alle gängigen Zellkultur-Multiwellplatten angeboten (10 cm-Platte bis 96 Multiwell) und kann zunächst durch Anfeuchten und Trocknen am Wellboden fixiert werden. Der Clou für die Verwendung des CCC besteht darin, dass die mit einer Zellschicht bewachsene Membran nach der Besiedlung leicht vom Boden des Zellkulturgefäßes abgelöst und als mobiler Zellträger vielfältig weiterverarbeitet werden kann (Bild 1).

Neben der Möglichkeit der Anfertigung histologischer Schnitte und der fluoreszenzmikroskopischen Analyse der angewachsenen Zellen ist für die regenerative Medizin die ideale Eignung des CCC als Träger zur Implantation von Zellen am wichtigsten. Die im Labor zu einem Verband organisierte Zellschicht kann auf der Kollagenmembran intakt zu einem geschädigten Organ transferiert werden (vgl. Bild 1). Der CCC lässt sich direkt mit dessen Gewebe vernähen und passt sich elastisch dem Organ an, so dass die therapeutischen Zellen in engem Kontakt mit der verletzten Stelle fixiert werden (Bilder 2 und 3). Außerdem ist die Membran permeabel für die meisten löslichen Faktoren und ermöglicht so die Nährstoffversorgung der Zellen sowie die parakrine Zellkommunikation.

In den letzten Jahren wurde in Zusammenarbeit mit diversen akademischen Gruppen die hohe Biokompatibilität des CCC in unterschiedlichen Spezies und Geweben bestätigt. Abhängig vom Zielgewebe wird das Material zudem innerhalb weniger Wochen problemlos abgebaut, um Platz für das sich aufbauende körpereigene Gewebe zu machen [2].

Präklinische Erprobung im Herzinfarktmodell

Dass Zellen, die mit Hilfe des CCC innerhalb eines intakten Verbandes implantiert und an der richtigen Stelle fixiert werden, besser überleben und ihre regenerative Wirkung effizienter entfalten können, hat Viscofan BioEngineering in einer zukunftsweisenden Kooperation mit der Universität von Navarra (Spanien) getestet. Mit dem Ziel der Entwicklung einer Therapie für Patienten mit Herzinsuffizienz wurden in umfangreichen präklinischen Studien Stammzellen aus Fettgewebe (adipose derived stem cells, ADSCs) auf dem CCC kultiviert, und dieses Implantat wurde dann direkt auf das Narbengewebe des durch Infarkt geschädigten Herzmuskels genäht (Bild 3).

Die Wirkung dieses sogenannten Arzneimittels für neuartige Therapien (Advanced Therapy Medicinal Product, ATMP) wurde in einem Ratten- und einem Minischwein-Modell für chronischen Herzinfarkt dokumentiert. „Eine Woche nachdem der Stammzellen-bewachsene CCC an der geschädigten Stelle vernäht worden war, waren ein Viertel der therapeutischen Zellen in den Herzmuskel eingewachsen. In der Kontrollgruppe, in der sie durch Injektion appliziert worden waren, konnten hingegen keine Stammzellen mehr gefunden werden“, berichtet Dr. Felipe Prosper von der Universität Navarra. „Doch noch wichtiger war die funktionelle Verbesserung des erkrankten Herzmuskels: Nach vier Monaten war das Blutvolumen eines Herzausstoßes um 15 % gestiegen – deutlich mehr als in der Kontrollgruppe“, so der Hämatologe weiter. Die Forscher schreiben die verbesserte Herzfunktion mehreren Effekten zu: Erstens war die infarktnahe Zone durch eine höhere Zahl von Blutgefäßen besser mit Blut versorgt. Zweitens war das Narbengewebe reduziert und im Zuge dessen die Gewebeelastizität erhöht, die nun der von gesundem Herzgewebe ähnelte [2].

Die Abgabe von Proteinen, die direkt oder indirekt regenerative Prozesse im geschädigten Gewebe stimulieren, wurde bereits für viele Stammzelltypen beschrieben. Die Forscher entschieden sich bei dieser Therapie für ADSCs, da sie eine reichlich vorhandene und leicht zugängliche Quelle darstellen sowie ein gut untersuchtes Sicherheitsprofil aufweisen. Die zielgenaue Vernähbarkeit und seine Elastizität heben den CCC von anderen Kollagenprodukten ab und ermöglichen, dass die von den ADSCs sezernierten Faktoren direkt die benötigte Region erreichen.

Darüber hinaus fand Prospers Arbeitsgruppe Hinweise darauf, dass der CCC vermutlich nicht nur auf „passive“ Weise den Transfer und die Implantation der ADSCs ermöglicht, sondern als naturnahe Umgebung auch deren zelluläre Funktion unterstützt: „Alleine durch die Kultivierung der ADSCs auf der Kollagenmembran beobachteten wir bei ihnen eine veränderte Expression einschlägiger Gene, die schließlich mit für den positiven Einfluss auf das verletzte Gewebe verantwortlich sein könnte“, so Prosper. Auf diese Weise könnte die Interaktion der ADSCs mit dem CCC einen verstärkten therapeutischen Effekt erzielen.

Das effiziente Anwachsen der Zellen im geschädigten Organ und deren vermutlich günstige Stimulierung durch den CCC hat noch einen weiteren erheblichen Vorteil: Die Zahl der benötigten Zellen reduziert sich drastisch. So waren in der o.g. Studie bereits 50 Millionen ADSCs ausreichend, um positive Ergebnisse zu erzielen. Neben den experimentellen und wirtschaftlichen Vorteilen bedeutet dies auch, dass die Gefahr einer ungewollten Ausbreitung der fremden Zellen im Patienten mit den damit verknüpften Nebeneffekten minimiert wird, wozu auch der Immobilisierungs-Ansatz beiträgt.

Kollagenmembranen in Medizinqualität

Diese vielversprechenden präklinischen Ergebnisse überzeugten den international agierenden Mutterkonzern Viscofan, in den Bau einer Produktionsanlage für Kollagenprodukte in Medizinqualität am Standort Weinheim zu investieren und somit der weiteren klinischen Entwicklung den Weg zu öffnen. Dafür wurden alle Prozesse nach den Richtlinien der guten Herstellungspraxis (Good Manufacturing Practice, GMP) standardisiert und optimiert, um den hohen Qualitätsstandard der Medizinprodukte-herstellung zu gewährleisten (Bild 4).

In der neuen Produktionsanlage werden künftig nicht nur Kollagenmembranen mit unterschiedlichen Eigenschaften für medizinische Zwecke produziert, sondern auch eine viskose Kollagenmasse, die der biokompatiblen Beschichtung von Implantaten und Medizingeräten dient. „Die neue Anlage wird zur klinischen Entwicklung dieses und anderer ATMPs, von neuen Medizinprodukten sowie zur Verbesserung von Medizingeräten beitragen“, beschreibt Lluís Quintana die Vision von Viscofan BioEngineering.

Quintana weiter: „Als eines unserer Ziele streben wir, zusammen mit unseren Partnern, eine echte regenerative Therapie für Patienten an, die an chronischer Kardiomyopathie infolge eines Infarkts leiden.“ Die für 2018 geplante klinische Phase-I-Studie zu Wirkung und Verträglichkeit des Kollagen-Implantats bei Patienten mit Herzmuskelerkrankung wird mit 1,26 Millionen Euro von der spanischen Regierung gefördert.

Der vielseitige Nutzen des CCCs, therapeutische Zellen zu geschädigten Organen zu transportieren und dort zu etablieren, wird in weiteren Kooperationen mit akademischen, klinischen und industriellen Partnern auf weitere Erkrankungen übertragen. An der Universität Tübingen wurden präklinische Experimente mit dem CCC zur Behandlung von Harnröhrenverengung erfolgreich abgeschlossen; eine klinische Studie ist ebenfalls in Vorbereitung. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt Viscofan BioEngineering weiterhin ein starkes Kollagennetz für die Operation von Hernien sowie eine Membran, die in der Zahnheilkunde zum Einsatz kommen soll.

Die unter GMP-konformen Bedingungen hergestellten medizinischen Kollagenprodukte werden somit neuartige Therapien ermöglichen, die sich für den breiten Einsatz in der Medizintechnologie, wie z.B. Tissue Engineering, regenerative Medizin oder Materialbeschichtung eignen. Viscofan BioEngineering will in den kommenden Jahren weitere Kooperationen mit Partnern aus Forschung, Medizin und Industrie zur Entwicklung innovativer Medizinprodukte eingehen.

Fazit

Die Wirksamkeit implantierter Zellen in der regenerativen Medizin kann durch eine spe-zielle kollagene Trägermembran, die vernähbar, elastisch, biokompatibel und abbaubar ist, stark verbessert werden, indem sie den darauf angesiedelten, therapeutischen Zellverband an der geeigneten Stelle fixiert und seine Zellfunktionen unterstützt.

Dr. Jessica Daecke, Dr. Lluis Quintana
Viscofan BioEngineering, eine Geschäftseinheit von
Naturin Viscofan GmbH, Weinheim


Eigenschaften des Collagen Cell Carrier (CCC)

Chemisch-physikalische Eigenschaften
 - hohe mechanische Stärke und Elastizität
 - ultra-dünn (20 μm)
 - chemisch stabil
 - thermostabil von -175 bis +50 °C
 - ohne Behandlung durch chemische Quervernetzer
 minimale Autofluoreszenz

Zellkultur und In-vivo-Anwendung

 - getestete, sehr gute Biokompatibilität in vivo [2]
 - geeignet für adhärente Primärzellen, Stammzellen und Zelllinien (> 30 Zelltypen getestet)
 - erlaubt hohe Zelldichten
 - ermöglicht Stratifizierung (Epidermismodell: [3], Urothelium: [4])
 - komplett biodegradierbar in vivo
 - kein Abbau in Zellkultur (unter collagenase-freien Bedingungen) [1]
 - permeabel für die meisten löslichen Faktoren
 - Resistenz gegen Kontraktion durch Fibroblasten (wenn fixiert am Boden)

Qualität
- hochreine Kollagen-Typ-I-Fasern aus Rinderhaut
- Rohware für medizinische Qualität aus Ländern mit vernachlässigbarem BSE-Risiko
- ISO 9001 Zertifizierung
- ISO 13485 Zertifizierung (in Bearbeitung)
- in R&D- und medizinischer Qualität erhältlich
- Gamma-sterilisiert

Literatur:

  1. Schmidt et al., Tissue Eng Part C Methods. 2011 Dec;17(12):1161-70.
  2. Arana et al., Biomaterials 2014 Jan;35(1):143-51.
  3. Jannasch et al., Experimental Parasitology 150 (2015) 22-30.
  4. Vaegler et al., J Stem Cell Res Ther 2015, 5:4.
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