12. Dezember 2022 Aus dem Meer für die Medizin

Die natürlichen Biopolymere, die zum Beispiel aus Algen gewonnen werden, dienen als Bausteine für unterschiedliche Trägermaterialien und sollen in medizinischen Pilotprojekten eingesetzt werden. Die Projektpartner aus Medizin, Pharmazie, Materialwissenschaft und mariner Biotechnologie wollen sie je nach Anwendung spezifisch anpassen und nach der Beladung mit Wirkstoffen, Zellen oder Gentherapeutika in das betroffene Gewebe injizieren.

Beteiligt sind das Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel, mit der Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie sowie die Klinik für die Innere Medizin III, die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit den Instituten für Materialwissenschaft und Pharmazie und die oceanBASIS GmbH. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit rund 800.000 Euro. Angesiedelt ist es im regionalen Bündnis „BlueHealthTech“, das maritime und medizinische Kompetenzen der Kieler Region bündelt.

Individuell und gut verträglich: Maritime Hydrogele

Ob medizinische Wirkstoffe in entzündete Gelenkknorpel injiziert werden oder gentherapeutische Ansätze Aneurysmen im Herz verhindern sollen – je nach Anwendung wird ein anderes Trägermaterial benötigt. „Für eine wirkungsvolle Therapie braucht es ein individuelles Transportsystem, das den Wirkstoff, die Zelle oder den Genvektor zum Wirkungsort bringt“, sagt Professorin Sabine Fuchs, Leiterin der Experimentellen Unfallchirurgie am UKSH und Koordinatorin des Projekts „BlueBioPol“. Dafür müssen verschiedene Fachrichtungen eng zusammenarbeiten. „Das ermöglicht uns jetzt die Förderung des BMBF.“

Als Trägermaterial eignen sich Hydrogele besonders gut, da sie der Grundsubstanz von menschlichem Gewebe ähneln. Sowohl ihre Form als auch ihre Eigenschaften lassen sich flexibel an unterschiedliche Gewebedefekte anpassen. „Für die Herstellung von Hydrogelen kommen zum Beispiel natürlich vorkommende marine Polysacchariden in Frage, denn sie gelten gemeinhin als biokompatibel und biologisch abbaubar“, sagt Susanne Woldmann von der oceanBASIS GmbH.

Eigenschaften gezielt anpassen mit Nanomaterialien

Das Unternehmen mit Sitz in Kiel nutzt seit vielen Jahren Makroalgen als Quelle für bioaktive Wirkstoffe. Für das „BlueBioPol“-Projekt gewinnt es marine Biopolymere wie Kollagen aus Quallen oder Alginat aus dem Zuckertang in eigener Aquakultur in Kiel und aus weiteren kultivierten Braunalgen. „Auch Abkömmlinge von Chitin, das sich zum Beispiel als Gerüstmaterial im Panzer von Krustentieren findet, eignen sich sehr gut zur Entwicklung der Trägermaterialien“, so Professorin Sabine Fuchs.

Um die Eigenschaften der Hydrogele gezielt an die jeweiligen medizinischen Anwendungen anzupassen, kombinieren Forschende der Materialwissenschaft sie mit biokompatiblen Nanomaterialien. „Indem wir bestimmte, funktionale Nanomaterialien in die Hydrogele einbringen, erhalten sie neue Funktionen. So können sie zum Beispiel responsiv werden und auf äußere Reize wie Licht, Temperatur oder elektrische Signale reagieren“, erklärt Teilprojektleiter Dr. Fabian Schütt aus der Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“ von Professor Rainer Adelung. Darüber lassen sie sich steuern, um zum Beispiel transportierte Wirkstoffe kontrolliert freizusetzen. Expertise zur Verkapselung und zu kontrollierten Freisetzungsprozessen mittels Partikeln bringt Regina Scherließ, CAU-Professorin für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie, in das Projekt ein.

Entwicklung medizinischer Biomaterialien in der Region vorantreiben

Die biomedizinische Anwendung dieser neuen Trägermaterialien wird in zwei Arbeitsgruppen am UKSH untersucht. Die Arbeitsgruppe „Experimentelle Unfallchirurgie“ von Professorin Sabine Fuchs erforscht Effekte von Implantaten und bioaktiven Substanzen auf Regenerationsprozesse im Knochen und Knorpel. Professor Oliver Müller, Arbeitsgruppe „Translationale Kardiologie und Angiologie“, entwickelt Transportsysteme, um therapeutische Gentransfervektoren zur Behandlung von Durchblutungsstörungen und Aneurysmen in Muskelgewebe bzw. in die Gefäßwand zu bringen. Neben der Sicherstellung von Funktionalität und Biokompatibilität der Trägermaterialien wollen beide Gruppen auch untersuchen, inwieweit sich die Hydrogele nutzen lassen, um Implantate im 3D (Bio)Drucker herzustellen.

Die Projektpartner können dabei auf ein umfassendes wissenschaftliches Netzwerk in der Region zurückgreifen, wie die Forschungsschwerpunkte „Kiel Nano, Surface and Interface Science KiNSIS“ und „Kiel Life Science“ sowie das Graduiertenkolleg „Materials for Brain“ der CAU, das schleswig-holsteinische Exzellenzcluster „Precision Medicine in Chronic Inflammation“ und das Deutsche Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung.

Ausgründung geplant

Am Ende soll eine Ausgründung die Ergebnisse in die Praxis bringen und die medizinische Biomaterialentwicklung in der Region vorantreiben. Der Bedarf an „smarten“, individualisierten Trägermaterialien sowie an interdisziplinärem Fachpersonal in Nanotechnologie, Biomedizin und Biodruck werde in Zukunft weiter zunehmen, ist sich das Team sicher.