Forscher entschlüsseln Knochenheilung am 3D-Modell

Dank moderner Medizin heilen gebrochene Knochen normalerweise schnell. Doch manchmal funktioniert das nicht. Warum, das wollen Forscher mit Hilfe eines 3D-Modells herausfinden. Ihre Entwicklung soll Therapien verbessern und Tierversuche reduzieren.

Mitarbeiter des Projektteams arbeiten im Labor an Gewebeproben für das 3D-Modell zur Knochenheilung.
Mitarbeiter des Projektteams arbeiten im Labor an Gewebeproben für das 3D-Modell zur Knochenheilung. © AG Buttgereit

Manchmal reicht ein unbedachter Schritt auf der Treppe. Es kommt zum Sturz und mit etwas Pech zu einem oder gar mehreren Knochenbrüchen. Das Skelett eines erwachsenen Menschen besteht in der Regel aus 206 Knochen. Doch es gibt bestimmte Stellen im Körpergerüst, die besonders gefährdet sind. Dazu zählen etwa der Oberschenkelhals, aber auch Unterarm- und Unterschenkelknochen. Im Durchschnitt ist ein solcher Bruch in spätestens drei Monaten verheilt, bei jungen Menschen schreitet der Heilungsprozess etwas schneller voran als bei älteren. In bis zu zehn Prozent der Fälle wachsen die Knochen jedoch deutlich langsamer oder gar nicht zusammen. Mediziner sprechen dann von einer Frakturheilungsstörung.

Forscherinnen und Forscher aus Berlin entwickeln mit Hilfe menschlichen Zellmaterials ein dreidimensionales Modell, das den Prozess der Knochenheilung simuliert. Sie untersuchen gezielt die erste Phase der Frakturheilung, die besonders anfällig für störende Einflüsse ist. Ihr Ziel: Sie wollen die initialen Mechanismen der Knochenheilung besser verstehen, um auf Basis dieser Erkenntnisse neue Therapien für Patienten mit Frakturheilungsstörungen zu entwickeln.

Forscher züchten knochen-ähnliches Gewebe

Bei einem Knochenbruch öffnet sich auch der Knochenmarkskanal, Blutgefäße zerreißen. An der verletzten Stelle tritt Blut aus und vermischt sich mit dem Knochenmark, ein Bluterguss entsteht. In diesem Frakturhämatom befindet sich ein Mix aus Zellen, die sich gegenseitig aktivieren und damit den Heilungsprozess in Gang setzen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen herausfinden, wie diese komplexe Choreographie genau abläuft.

Mit Hilfe von Spenderzellen züchten die Forscher im Labor über mehrere Wochen Frakturhämatome heran, die aus menschlichem Blut und Knochenmark bestehen. Zudem wird aus Stammzellen ein knochen-ähnliches dreidimensionales Gewebe hergestellt. Im Modell kombiniert das Forschungsteam diese beiden Komponenten miteinander. Hierzu werden die Gewebe auf speziellen Platten kultiviert und im Sandwich-Prinzip angeordnet. In der Mitte befindet sich das Hämatom, das oben und unten von Knochen-Gewebe eingefasst wird. „Unser Modell macht es möglich, Parameter zu ermitteln, die in der ersten Phase der Frakturheilung entscheidend sind“, erklärt Annemarie Lang vom Projektteam der Medizinischen Klinik mit Schwerpunkt Rheumatologie und klinische Immunologie an der Charité-Universitätsmedizin Berlin.

Entwicklung neuer Therapien

In einem weiteren Schritt wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, was bei einer Störung der Knochenheilung schief läuft. Zu den Risikofaktoren zählen etwa die Einnahme von Antibiotika oder Cortison, aber auch Vorerkrankungen wie Diabetes und Rheuma. Um etwa die Wirkung des Cortisons zu untersuchen, wird das Modell über Wochen mit dem Wirkstoff behandelt. Die Forscher können so die Mechanismen aufdecken, die die Knochenheilung bei Cortison-Einnahme verzögern. Auf diese Weise könnten auch weitere Krankheitsprozesse simuliert werden.

Das Modell der Berliner soll künftig nicht nur die Entwicklung neuer Therapien ermöglichen, sondern auch Tierversuche in der Frakturheilungsforschung reduzieren. Für die Erforschung der Frakturheilung werden bislang vor allem Mäuse, Ratten, aber auch größere Tiere eingesetzt. Tiermedizinerin Lang ist überzeugt, dass ihre Forschung nicht nur Tieren Leid erspart, sondern auch validere Ergebnisse liefern kann. „Die Beobachtungen aus Tierstudien sind oftmals nicht auf den Menschen übertragbar“, sagt Lang. So baue etwa die Leber von Nagetieren den Wirkstoff Cortison wesentlich schneller ab als die menschliche Leber, ein Vergleich sei daher kaum möglich.

Das Bundesforschungsministerium unterstützt das interdisziplinäre Forschungsteam aus Medizinern, Biotechnologen, Biologen, Tiermedizinern und Biochemikern im Rahmen der Fördermaßnahme „Alternativmethoden zum Tierversuch“. Das Projekt wird bis 2017 gefördert. Wenn alles nach Plan läuft, soll das Modell dann einsatzbereit sein.