‚Tanzende Moleküle‘ heilen Knorpelschäden

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation lebten 2019 weltweit fast 530 Millionen Menschen mit Arthrose. Dabei handelt es sich um eine degenerative Erkrankung, bei der sich das Gewebe in den Gelenken im Laufe der Zeit abbaut, und ist ein häufiges Gesundheitsproblem und eine der Hauptursachen für Behinderungen. Bei Patienten mit schwerer Arthrose kann der Knorpel so dünn werden, dass sich die Gelenke im Wesentlichen in Knochen auf Knochen verwandeln – ohne ein Polster dazwischen. Dies ist nicht nur unglaublich schmerzhaft, sondern die Gelenke der Patienten können auch nicht mehr richtig funktionieren. In diesem Fall ist die einzige wirksame Behandlung eine Gelenkersatzoperation, die teuer und invasiv ist. Die derzeitigen Behandlungen zielen darauf ab, das Fortschreiten der Krankheit zu verlangsamen oder den unvermeidlichen Gelenkersatz hinauszuzögern. Es gibt keine regenerativen Optionen, da der Mensch nicht über die Fähigkeit verfügt, Knorpel im Erwachsenenalter zu regenerieren.

Neue Therapie regt Knorpelregeneration an

Im November 2021 stellten Forscher der Northwestern University eine neue, injizierbare Therapie vor, die sich schnell bewegende „tanzende Moleküle“ zunutze macht, um Gewebe zu reparieren und Lähmungen nach schweren Rückenmarksverletzungen rückgängig zu machen. Nun hat dieselbe Forschungsgruppe die therapeutische Strategie auf geschädigte menschliche Knorpelzellen angewandt. In der neuen Studie aktivierte die Behandlung die für die Knorpelregeneration erforderliche Genexpression innerhalb von nur vier Stunden. Und nach nur drei Tagen produzierten die menschlichen Zellen die für die Knorpelregeneration erforderlichen Proteinkomponenten. Bei der neuen Therapie werden synthetische Nanofasern verwendet, um die natürliche Signalübertragung eines Proteins zu imitieren, das für die Bildung und Erhaltung von Knorpel entscheidend ist. Die Forscher fanden heraus, dass die Intensivierung der Bewegung von Molekülen innerhalb der Nanofasern dazu führte, dass mehr Komponenten für die Regeneration benötigt wurden. Bereits nach vier Stunden aktivierte die Behandlung die für die Knorpelbildung erforderliche Genexpression. Die Therapie könnte erfolgreich zur Behandlung von Osteoarthritis eingesetzt werden. Die Forscher stellten außerdem fest, dass mit zunehmender Molekularbewegung auch die Wirksamkeit der Behandlung zunahm. Mit anderen Worten: Die „tanzenden“ Bewegungen der Moleküle waren entscheidend für die Auslösung des Knorpelwachstumsprozesses.

Die Forscher rund um Samuel I. Stupp von Northwestern, der die Studie leitete, beobachteten die Auswirkungen in zwei Zelltypen, die völlig unabhängig voneinander sind – Knorpelzellen in unseren Gelenken und Neuronen in unserem Gehirn und Rückenmark. Stupp ist Experte für regenerative Nanomedizin und Board of Trustees Professor für Materialwissenschaft und -technik, Chemie, Medizin und Biomedizintechnik an der Northwestern University, wo er das Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology und das angegliederte Center for Regenerative Nanomedicine leitet.

Die Wirkung der „tanzenden Moleküle“

Stupp und sein Team vermuteten, dass „tanzende Moleküle“ das hartnäckige Gewebe zur Regeneration anregen könnten. Bei den tanzenden Molekülen, die in Stupps Labor erfunden wurden, handelt es sich um Anordnungen, die synthetische Nanofasern aus zehn- bis hunderttausenden von Molekülen mit starken Signalen für Zellen bilden. Indem er ihre kollektiven Bewegungen durch ihre chemische Struktur abstimmte, entdeckte Stupp, dass die sich bewegenden Moleküle schnell zelluläre Rezeptoren finden und mit ihnen in Kontakt treten können, die sich ebenfalls in ständiger Bewegung befinden und auf den Zellmembranen extrem dicht gedrängt sind. Im Körper angekommen, ahmen die Nanofasern die extrazelluläre Matrix des umgebenden Gewebes nach. Durch die Anpassung an die Struktur der Matrix, die Nachahmung der Bewegung biologischer Moleküle und die Einbindung bioaktiver Signale für die Rezeptoren sind die synthetischen Materialien in der Lage, mit den Zellen zu kommunizieren.

In der neuen Studie untersuchten Stupp und sein Team die Rezeptoren für ein bestimmtes Protein, das für die Bildung und den Erhalt von Knorpel entscheidend ist. Um diesen Rezeptor anzusprechen, entwickelte das Team ein neues zirkuläres Peptid, das das bioaktive Signal des Proteins, den so genannten transformierenden Wachstumsfaktor beta-1 (TGFb-1), nachahmt. Anschließend bauten die Forscher dieses Peptid in zwei verschiedene Moleküle ein, die in Wasser miteinander interagieren und supramolekulare Polymere bilden, die beide die gleiche Fähigkeit zur Nachahmung von TGFb-1 besitzen. Die Forscher entwarfen ein supramolekulares Polymer mit einer speziellen Struktur, die es den Molekülen ermöglichte, sich innerhalb der großen Ansammlungen freier zu bewegen. Das andere supramolekulare Polymer hingegen schränkte die Molekularbewegung ein.

Obwohl beide Polymere das Signal zur Aktivierung des TGFb-1-Rezeptors nachahmten, war das Polymer mit den sich schnell bewegenden Molekülen viel wirksamer. In mancher Hinsicht waren sie sogar wirksamer als das Protein, das den TGFb-1-Rezeptor in der Natur aktiviert. Nach drei Tagen produzierten die menschlichen Zellen, die den langen Anordnungen der beweglicheren Moleküle ausgesetzt waren, größere Mengen der für die Knorpelregeneration notwendigen Proteinkomponenten. Für die Produktion eines der Bestandteile der Knorpelmatrix, des so genannten Kollagens II, waren die tanzenden Moleküle mit dem zyklischen Peptid, das den TGF-beta1-Rezeptor aktiviert, sogar effektiver als das natürliche Protein, das diese Funktion in biologischen Systemen hat.“

Angesichts des Erfolgs der Studie an menschlichen Knorpelzellen gehen die Experten davon aus, dass die Knorpelregeneration in hochgradig translationalen präklinischen Modellen erheblich verbessert werden wird. Es sollte sich zu einem neuartigen bioaktiven Material für die Regeneration von Knorpelgewebe in Gelenken entwickeln. Stupps Labor testet auch die Fähigkeit der tanzenden Moleküle, Knochen zu regenerieren – und hat bereits vielversprechende erste Ergebnisse, die wahrscheinlich noch in diesem Jahr veröffentlicht werden. Gleichzeitig testet er die Moleküle in menschlichen Organoiden, um den Prozess der Entdeckung und Optimierung von therapeutischen Materialien zu beschleunigen. Stupps Team bemüht sich auch weiterhin um die Genehmigung klinischer Versuche zur Erprobung der Therapie für die Reparatur des Rückenmarks bei der Food and Drug Administration. Die grundlegende Entdeckung über ‚tanzende Moleküle könnte laut den Forschern bei einer Vielzahl von Erkrankungen Anwendung finden. Die Steuerung supramolekularer Bewegungen durch chemisches Design scheint ein leistungsfähiges Werkzeug zu sein, um die Wirksamkeit einer Reihe von regenerativen Therapien zu erhöhen.