Mit "Götterspeise" das Immunsystem überlisten
Täuschend echtes Gewebe: Chemiker Prof. Dr. Ulrich Jonas forscht am biomedizinischen Einsatz von Polymeren.
„Spaghetti“, sagt Prof. Dr. Ulrich Jonas, „Polymere kann man sich vorstellen wie gekochte Spaghetti. Wenn man versucht, einige wenige mit der Gabel aufzunehmen, bleiben viele durch Verschlaufungen untereinander hängen.“ Polymere sind chemische Verbindungen aus Ketten oder verzweigten Molekülen (Makromoleküle). Manche können ihre Eigenschaften temperaturabhängig und im Zusammenhang mit Wasser grundlegend verändern. Sind die Ketten durch Bindungen miteinander verknotet, so entsteht ein Netzwerk wie ein Fischernetz. Für wasserliebende Polymere bildet sich so ein molekularer Schwamm, der viel Wasser aufnehmen und quellen kann. „Ein solches Hydrogel ist wie Götterspeise, die fast nur aus Wasser besteht, aber dennoch fest ist“, so der Chemiker.
Prof. Dr. Ulrich Jonas, der seit 2011 in Siegen lehrt und forscht, hat sich auf Makromolekulare Chemie spezialisiert. Polymere Strukturen sind allgegenwärtig in der Natur, so auch als Proteine in unserem Körper und als DNA in unserem Erbgut. In nachgebauter Form, als synthetische Polymere, finden wir sie überall, als Kunststoffe, bei Verpackungen, in Kleidung, in Bildschirmen von Laptops und Handys.
Auch in der Medizin werden Polymere vielfältig eingesetzt. Aber Kunststoffe stellen die Ärzte auch vor Probleme, zum Beispiel bei Implantaten. In Kontakt mit lebendem Gewebe und Blut entwickeln die Körper der Patienten Abwehrreaktionen auf das eingepflanzte Material. Um das zu verhindern, spielen biologisch basierte, verträgliche Polymere eine immer wichtigere Rolle. In diesem Bereich forscht auch Prof. Dr. Jonas. Bei zwei aktuellen Projekten arbeiten die Siegener Chemiker mit Dr. Lars Choritz von der Universitätsaugenklinik in Magdeburg und Dr. Ulrike Ritz von der Unfallchirurgie der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg Universität Mainz zusammen.
„Die Pumpe ist ein Fremdkörper im Auge“
Unter anderem geht es um die Ummantelung eines Implantats, das häufig bei einem Glaukom (Grüner Star) eingesetzt wird. „Es ist eine winzige Pumpe aus Silikon“, erklärt Prof. Dr. Jonas. „Die Pumpe ist ein Fremdkörper im Auge.“ Darum arbeitet man an einer Ummantelung mit Hydrogelen, die in bestimmten Eigenschaften einer Struktur von lebendem Gewebe ähneln. Gelingt eine Ummantelung der Augenpumpe mit dem richtigen Polymer, so wird der Fremdkörper nicht mehr vom eigenen Immunsystem erkannt und man verhindert so möglicherweise die Vernarbung des umgebenden Gewebes. In erfolgreichen Modellversuchen können die Zellen, welche für die Narbenbildung verantwortlich sind, nicht an der Oberfläche des Hydrogels anhaften. Sie kugeln sich zwar zusammen, weil sie auf körperfremdes Material treffen, sterben aber nicht ab. „Das ist unser Ziel“, so Prof. Dr. Jonas, „da das Implantatmaterial für den Körper sozusagen unsichtbar wird.“ Bei biomedizinischen Anwendungen muss man viel Geduld mitbringen. „Eine zehnjährige Entwicklungsdauer ist normal.“ Viele Forschungsprojekte laufen in Zusammenarbeit mit mehreren Kooperationspartnern, wie der Partnergruppe am Austrian Institute of Technology (AIT) Wien, der Foundation for Research an Technology-Hellas (FORTH) in Kreta und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz (MPIP).
Die anvisierten Einsatzmöglichkeiten von Hydrogelen aus biobasierten Polymeren sind weitreichend: Wundauflagen, Trägermaterialien für Hautnachzüchtungen und Transplantate, sogar die Wiederherstellung von Knochen- und Gewebedefekten werden weltweit diskutiert. Dazu liefern wärmeempfindliche Hydrolgele die Basis, das Grundgerüst, auf dem ein Zellrasen wachsen kann. Bei Körpertemperatur liegt ein solches thermoresponsives Hydrogel als wasserabweisende Schicht vor, an welchem die Zellen anhaften können. Kühlt man das Hydrogel nach erfolgreichem Zellwachstum ab, quellen die Polymere durch Wasseraufnahme wieder zum weichen Film, von dem ein Zellrasen leicht abgelöst werden kann. Untersuchungen hierzu werden in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Holger Schönherr in der Physikalischen Chemie an der Uni Siegen durchgeführt. Jonas: „Um der Zukunftsvision von komplexen Organtransplantaten aus körpereigenen Zellen, welche für den Patienten individuell außerhalb des eigenen Körpers gezüchtet werden sollen, einen Schritt näher zu kommen, muss man es schaffen, dass in einem Zellverband auch Blutgefäße entstehen, sodass die Zellen ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden.“ Aber das ist Zukunftsmusik. Der Forschungsbedarf ist groß, denn die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Gele und den Strukturen in den Anwendungsgebieten sind noch nicht hinreichend bekannt.
Von Sabine Nitz
Dieser Artikel ist im Querschnitt 4/2013 erschienen.