Medizintechnik: Nachhilfe für die Natur

Künstliche Gelenke, neue Muskeln, Knorpel aus Zellzüchtungen: Die moderne Medizin bietet immer zuverlässiger Ersatz, wenn die Biologie versagt. Zahlreiche Entwicklungen kommen aus österreichischen Labors.

In einer Art Gefängnis werden menschliche Klone gehalten, die, ohne es zu ahnen, als lebende Ersatzteillager dienen. Sie können genetisch perfekte Körperteile liefern: ein neues Herz, eine neue Leber, jugendlich faltenlose Haut – je nachdem, wonach gerade Bedarf besteht. Dieses Szenario wurde vergangenes Jahr im Hollywoodfilm „Die Insel“ entworfen. Die Realität sieht zwar anders aus – die moderne Medizin hat dennoch vieles ermöglicht, was vor Jahrzehnten noch undenkbar war. Weit entfernt vom in der Traumfabrik ersonnenen Perfektionismus und deutlich weniger gruselig, sind heute längst viele verschlissene Körperteile austauschbar. „Sie können jedes Gelenk, ob Hüft-, Knie-, Fuß- oder Handgelenk ersetzen“, sagt Axel Wanivenhaus, stellvertretender Vorstand der Universitätsklinik für Orthopädie am Wiener AKH.

Und der Bedarf für solche Produkte ist groß – nicht zuletzt aufgrund des steigenden Alters der Bevölkerung. Mehr als 82.000 Patienten mit Gelenksschädigungen wurden 2003 in Österreich verzeichnet, 14.000 Kniegelenke werden jedes Jahr ersetzt. Nachfrage besteht aber unter anderem auch nach Hörimplantaten, Herzschrittmachern und Brustimplantaten. „Die Implantate werden immer besser“, sagt Wanivenhaus. So seien bei Hand- und Fingergelenken perfekte Rekonstruktionen möglich, die lediglich in der Beanspruchung ein Limit aufweisen würden: „Schwerarbeit kann man damit nicht leisten“, so Wanivenhaus. Aber an Verbesserungen bezüglich Halt- und Belastbarkeit werde permanent gearbeitet.

Gelenksersatz. „Es gibt jetzt nur noch wenige kleine Bereiche, in denen man die Dinge besser machen kann, als sie bereits sind“, meint indes Werner Klika, Österreich-Geschäftsführer des britischen Medizintechnikkonzerns Smith & Nephew. Das Unternehmen ist mit mehr als 8500 Mitarbeitern in 34 Ländern vertreten und erzielte zuletzt mit den Bereichen Orthopaedics, Endoscopy und modernes Wundmanagement einen Umsatz von rund zwei Milliarden Euro. Am Standort Wien-Schwechat sind 72 Mitarbeiter beschäftigt, für 2006 wird ein Umsatz von zirka 25 Millionen Euro erwartet.

Smith & Nephew beschäftigt sich intensiv mit Gelenksersätzen, „aber wegen der Anatomie des menschlichen Körpers sind die Entwicklungsmöglichkeiten begrenzt“, so Klika. „Die Innovationen, die es jetzt noch geben kann, liegen im Bereich der verwendeten Materialien.“ Und auf genau diesem Gebiet meint man bei Smith & Nephew beachtliche Fortschritte gemacht zu haben.

Hauptindikation für einen Gelenksersatz, sowohl in der Hüfte als auch im Knie, ist Arthrose, meist durch Abnützung bedingt. Das Leiden ist sehr schmerzhaft, und im Endstadium hilft nur noch eine Prothese. Deren Haltbarkeit wird vor allem vom Abrieb des Kunststoffs bestimmt. Smith & Nephew hat in knapp zehnjähriger Forschungsarbeit das Material Oxinium entwickelt. Eine neuartige Zusammensetzung aus einem Gemisch aus Keramik und Zirkonium verringert den vorzeitigen Abrieb des zwischen die Prothesenteile eingebrachten Kunststoffs Polyethylen um 85 Prozent. „Der Richtwert für den Polyethylenabrieb liegt bei 0,2 Millimeter pro Jahr, das sind in zehn Jahren zwei Millimeter, was sehr viel ist, wenn man bedenkt, dass die Inlays zwischen sechs und zehn Millimeter dick sind“, erklärt Klika, „mit unserem Oxiniumgelenk haben wir dieses Problem gelöst.“

Zellzüchtung. Einen gänzlich anderen Ansatz verfolgt Stefan Nehrer. Der Orthopäde und Spezialist für Tissue Engineering – ein Forschungsgebiet, das sich mit der Züchtung und Vermehrung lebender Zellen im Labor beschäftigt – widmet sich seit mehr als einer Dekade der Knorpelzelltransplantation. „Wir wissen, dass Prothesen bei jüngeren Patienten nicht so gut funktionieren“, sagt Nehrer. „Sie sind zu aktiv. Da macht es Sinn, biologische Methoden anzuwenden, bevor man als Ultima Ratio das Gelenk herausschneidet und Metall einbaut.“

Alexander Giurea, Universitätsprofessor und Leiter des Endoprothesen-Rekonstruktionsteams an der Orthopädischen Universitätsklinik Wien, befasst sich seit Jahren mit der Knorpelzelltransplantation. „Die Haltbarkeit einer Prothese ist beschränkt, biologisches Gewebe kann mitwachsen“, sagt Giurea. „Zudem ist jedes Fremdmaterial im Körper infektionsanfällig, weil es nicht durchblutet wird. Schon eine Angina kann schwer wiegende Komplikationen hervorrufen. Dann muss das Gelenk entfernt werden, und der Patient muss, beispielsweise ohne Hüfte, bis zu drei Monate in einer Gipshose verbringen.“

Das Knie ist bei Sportverletzungen am häufigsten betroffen. Jeder dritte verletzte Sportler hat dort Blessuren. Die elastischen Gelenksknorpel, die wie Puffer zwischen Ober- und Unterschenkelknochen wirken, haben nicht die Fähigkeit, sich nachzubilden. Sind sie verschlissen, kommt es zum Aufeinanderreiben der Knochen.

Angewandt werden kann die Knorpelzelltransplantation bei jüngeren Patienten, bei denen nicht das gesamte Gelenk betroffen ist. Mittels Athroskopie wird der Defekt festgestellt und anschließend ein kleines unbeschädigtes Knorpelstück – etwa in der Größe eines Fingernagels – entnommen. Die Probe wird enzymatisch zersetzt, um die Zellen freisetzen und vermehren zu können. Innerhalb von zwei bis drei Wochen werden aus rund 500.000 etwa 20 Millionen Zellen. Diese werden auf ein spezielles Vlies aufgebracht, das zurechtgeschnitten und in einem zweiten Eingriff auf den Defekt aufgeklebt wird. Der Patient muss für vier bis sechs Wochen das Bein entlasten, und währenddessen bildet sich wieder eine annähernd normale Gelenksoberfläche. „Binnen eines Jahres hat sich der transplantierte Teil in einen normalen Knorpel verwandelt“, berichtet Orthopäde Nehrer. „Dann kann der Patient sogar wieder Sport betreiben.“ Zurzeit werden in Österreich etwa 300 Knorpelzelltransplantationen pro Jahr durchgeführt.

Matrixstruktur. Nehrer, der an der Donau-Universität in Krems lehrt und forscht, arbeitet eng mit der dort ansässigen Ars Arthro Biotechnologie GmbH zusammen. Das Unternehmen erzeugt ein Produkt namens CaReS, bei dem die Zellen nicht wie bislang in eine Petrischale, sondern in eine flüssige Kollagenmatrix eingebracht werden. Die Struktur dieser Matrix entspricht der originären biologischen Zellumgebung, die Kultivierung kann innerhalb eines sehr viel kürzeren Zeitraums abgeschlossen werden und benötigt zudem weniger Zellen. Das Ergebnis ist ein gelartiges, form- und druckstabiles sowie knorpelähnliches Transplantat.

Ziel ist es, die Knorpelzelltransplantation oder ähnliche Verfahren auch bei der in höherem Alter typischen Arthrose einsetzen zu können. Ab einem Alter von 60 Jahren ist ungefähr ein Drittel, ab 70 Jahren sind zwei Drittel der Bevölkerung davon betroffen. Bis Knorpelzelltransplantationen zur Arthrosebehandlung praxistauglich sind, werden voraussichtlich noch Jahre, wenn nicht Jahrzehnte verstreichen. „Irgendwann könnte diese Methode jedoch den künstlichen Gelenksersatz völlig überflüssig machen“, glaubt Nehrer. Auch Universitätsprofessor Giurea hält dies für das Fernziel – und findet zugleich, dass „der biologische Gelenksersatz schon jetzt sehr erfolgreich“ ist.

Nehrer nimmt auch an einem EU-geförderten Forschungsprojekt teil, bei dem es um die Wiederherstellung von Meniskusgewebe geht. Wird der Meniskus aufgrund einer Verletzung entfernt, fehlt der „Stoßdämpfer“, und die Gefahr einer frühzeitigen Arthrose wächst. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Knorpelzelltransplantation: Auf Matrices, die dem Meniskus nachempfunden sind, werden Zellen gesiedelt. Diese belebte Struktur wird transplantiert und kann den Meniskus regenerieren. „Aber da sind wir noch nicht so weit wie mit den Knorpeln“, sagt Nehrer.

Neuer Muskel. Eines Tabuthemas haben sich Forscher in Innsbruck angenommen: Zwischen 500.000 und einer Million Österreicher leiden an Harninkontinenz, etwa 30 Prozent aller über 60-Jährigen sind davon betroffen. Die Krankheit, und als solche wird sie definiert, ist psychisch extrem belastend, viele Patienten ziehen sich völlig zurück. Die Innovacell Biotechnologie GmbH will hier Abhilfe schaffen und hat mit urocell eine weltweit neuartige Harninkontinenz-Therapie entwickelt. Wenn der Schließmuskel seine Funktion nicht mehr erfüllt, liegt das bei Frauen meist an altersbedingten Überdehnungen oder ist eine Folgeerscheinung von Geburten, bei Männern ist die Ursache häufig eine Prostataoperation. In Fällen, wo die klassische Methode des Beckenbodentrainings nichts mehr nützt, kann nun eine neue Therapie angewandt werden. „Wir wollen dem Patienten den Muskel wieder zurückgeben und ihm seine Lebensqualität gut und lange erhalten“, sagt Innovacell-Geschäftsführer Rainer Marksteiner.

Das Prinzip ist im Grunde einfach: Dem Patienten wird aus dem Oberarm Muskelgewebe entnommen, im Reinraumlabor von Innovacell aufbereitet und vermehrt, anschließend zurück an die Klinik geliefert und dem Patienten implantiert. Gut 200 Patienten wurden bislang mit dieser Methode erfolgreich behandelt, dazu muss der Patient allerdings selbst seinen Teil beitragen. „Es ist nicht, wie eine Tablette zu schlucken, und dann ist alles wieder gut“, erklärt Marksteiner, „wenn man dieses Problem hat, muss man auch ein bisschen Geduld aufbringen.“ Der Patient muss die Kneifbewegung trainieren: Denn wenn die implantierten Zellen nicht bewegt werden, verschwinden sie wieder. Im Gegensatz zu gesunden Personen, die in bestimmten Situationen den Beckenboden automatisch anspannen, haben dies die meisten von Harninkontinenz Betroffenen verlernt.

Der Ablauf der Eingriffe ist sehr aufwändig und erfordert eine enge Zusammenarbeit von Arzt, Patient und dem Unternehmen: So muss etwa die Transportlogistik akkurat eingehalten werden, denn das Gewebematerial ist nur zwei Tage überlebensfähig. In speziellen Boxen müssen die Proben auf vier Grad Celsius gehalten und innerhalb von 48 Stunden ins Labor gebracht werden. Da nur eine sehr kleine Biopsie entnommen wird – um die Muskelverletzung am Oberarm möglichst gering zu halten –, dauert die Zellvermehrung acht Wochen. Die neu gezüchteten und präparierten Zellen müssen dann binnen 24 Stunden implantiert werden. Ist der Patient dann nicht verfügbar, ist die Probe verloren, und es heißt zurück an den Start. Zudem erfordert die Methode auch einige Erfahrung vonseiten der Ärzte: Der Muskel ist nur zwei Millimeter dick, die Zellen müssen exakt positioniert werden. Trifft der Arzt nicht genau, „wissen die Zellen nicht, was sie machen sollen“, so Marksteiner.

Für die Therapie muss überdies tief in die Tasche gegriffen werden: Rund 8000 Euro kostet ein derartiger Eingriff. Von den Krankenkassen wird er noch nicht bezahlt, aber die Anträge sind eingereicht: „Wir hoffen sehr, dass das dann von der öffentlichen Hand getragen wird“, so Marksteiner. Mit der Geschäftsentwicklung ist das 15-köpfige Innovacell-Team zufrieden: Heuer will man erstmals schwarze Zahlen schreiben und das Produkt international positionieren. Die Innsbrucker Tüftler arbeiten auch schon am nächsten Projekt, einer Therapie gegen Stuhlinkontinenz, von der rund drei Prozent der Bevölkerung betroffen sind. Mitte des Jahres sollen erste klinische Versuche starten.

Künstliche Leber. Obwohl außerhalb des Körpers angewandt, handelt es sich auch bei der „künstlichen Leber“ um ein neuartiges Ersatzteil für den Menschen. Dieter Falkenhagen, Leiter des Departments für klinische Medizin und Biotechnologie an der Donau-Universität Krems, schränkt aber ein: „Die Leber ist ein sehr komplex aufgebautes Organ, in dem hunderte von Enzymen metabolische Vorgänge steuern. Deshalb ist eine echte künstliche Leber nicht ohne Weiteres machbar. Wir sprechen von Leberunterstützungssystemen.“ Das System heißt, angelehnt an die mythologische Figur, Prometheus und wurde von einem Forscherteam rund um Falkenhagen gemeinsam mit der Fresenius Medical Care AG in Deutschland entwickelt. Fresenius hat das Projekt maßgeblich finanziert und ist für den Vertrieb verantwortlich. Das Unternehmen ist weltweiter Marktführer bei künstlichen Nieren sowie bei der extrakorporalen Blutreinigung mittels Dialyse und erzielt einen Jahresumsatz von etwa sieben Milliarden Euro.

Bei Leberversagen müssen Giftstoffe entfernt werden, die fest an Transportproteine im Blut – in erster Linie das Albumin – gebunden sind. Das Blut wird zunächst durch einen Membranfilter gepumpt, der die Blutzellen und große Eiweißmoleküle zurückhält. Die Blutflüssigkeit, das Plasma, mit dem Albumin und kleineren Eiweißmolekülen wird durch zwei Adsorber geleitet, welche die Giftstoffe vom Albumin ablösen und binden. Anschließend wird das Blutplasma mit dem entgifteten Albumin und den im Filter abgetrennten Zellen wieder zusammengeführt. In einer Dialyse werden die verbliebenen wasserlöslichen Giftstoffe entfernt und in den Blutkreislauf des Patienten zurückgeführt. Prometheus ist seit eineinhalb Jahren auf dem Markt und ermöglicht eine Regeneration der Leber oder überbrückt den Zeitraum, bis ein Spenderorgan eingesetzt werden kann. Bis zu 14 Tage können derart bis zur Transplantation überbrückt werden. Über tausend Personen wurden bisher behandelt.

Die verwendeten Adsorberpatronen stammen aus Österreich. Sie werden von der von Falkenhagen gegründeten Biotec Systems Krems GmbH in Serie produziert. Mittlerweile hat Falkenhagen seine Anteile an Fresenius abgegeben, die nun mit 88 Prozent Mehrheitseigner ist. „Ich wollte nicht den Anschein erwecken, etwas zu entwickeln, was mir meine Rente um den Faktor zehn erhöht“, sagt Falkenhagen. Für den deutschen Medizintechnikkonzern ist nunmehr Krems das Kompetenzzentrum für Adsorberentwicklung und -produktion.

Falkenhagen selbst konzentriert sich indes auf weitere Forschungsschwerpunkte: Gemeinsam mit Fresenius wird derzeit ein System entwickelt, das nicht nur bei Leber-, sondern auch bei Multiorganversagen eingesetzt werden kann. Noch dieses Jahr soll es einen Prototyp geben.

Von Christina Hiptmayr