Rutschiges Material zum Schmieren der Gelenke, inspiriert von der Natur

Seit einiger Zeit wissen Wissenschaftler, dass Synovialflüssigkeit in den Gelenken eine natürliche Substanz enthält, die hilft, sie gut geschmiert zu halten. Jetzt hoffen die Ingenieure der Johns Hopkins Universität in Baltimore, MD, durch die Nachahmung ihrer Eigenschaften, ein neues Material zu entwickeln, das in künstlichen Gelenken und anderen spezifischen Stellen im Körper, wo Oberflächen sich gegeneinander bewegen, eine lang anhaltende Schmierung bewirkt.
"Was ich an diesem Konzept mag, ist, dass wir natürliche Funktionen nachahmen, die mit synthetischen Materialien verloren gehen", sagt Prof. Elisseeff.

Das Team schreibt über das neue Material und das Potenzial, das es bietet, in der Zeitschrift Naturmaterialien. Neben der Linderung von Gelenkschmerzen gehören andere mögliche Anwendungsbereiche dazu, Kontaktlinsen komfortabler zu machen.

Das Molekül, das sie untersuchen, heißt Hyaluronsäure (HA), die in verschiedenen Formen im Körper vorhanden ist, wo Schmierung benötigt wird.

Eine Form von HA reduziert Entzündungen und schützt Zellen vor Stoffwechselschäden. Im Körper ist HA an die Oberflächen gebunden, die es durch ein Protein schützt. Die Forschung zeigt, dass dieses Protein bei geschädigten, erkrankten und alternden Knien, Hüften, Schultern und Ellbogen nicht mehr in der Lage ist, HA zu halten.

Viscosupplementierung ist eine populäre Behandlung für schmerzende Gelenke und besteht darin, HA in das schmerzhafte Gelenk zu injizieren. Wenn jedoch die Ursache des Schmerzes das Fehlen des Proteins ist, das hilft, HA an die betroffene Oberfläche zu binden, bietet es keinen langfristigen Nutzen. Die injizierte HA wird bald von den natürlichen Reinigungsprozessen des Körpers abgewaschen.

'Chemischer Griff' hält HA an Ort und Stelle

Unter der Leitung von Jennifer H. Elisseeff, Professorin am Wilmer Eye Institute an der Johns Hopkins Universität, suchte das Team nach einem Weg, die HA an ihrem Platz zu halten. Sie fanden ihre Antwort in Molekülen, die als HA-bindende Peptide (HABpeps) bekannt sind.

Die Wissenschaftler verwendeten HABpep als einen "chemischen Griff", um HA mit Hilfe eines anderen synthetischen Moleküls, Polyethylenglykol, an natürliche und künstliche Oberflächen zu binden.

Im Labor testeten sie das neue Material in kultiviertem Gewebe und Gelenk- und Augenoberflächengewebe bei lebenden Tieren. Sie fanden heraus, dass das gebundene HA nicht leicht weggewaschen wurde, und es verringerte die Reibung sowie wenn die Gewebe in ein HA-Bad getaucht wurden:

"Die mit dem HA-Bindungssystem behandelten Gewebeoberflächen wiesen höhere Schmierfähigkeitswerte auf und konnten in vivo HA im Gelenk festhalten und die Oberflächen des Okulargewebes binden", bemerken sie.

HABpep hält HA 12-mal länger in Position

In einer anderen Reihe von Experimenten testeten sie auch einen HABpep, der an Knorpel angebracht war. Sie injizierten Rattenknie zuerst mit etwas HABpep, dann mit etwas HA und fanden, dass die HA 12-mal länger an ihrem Platz blieb als bei Ratten, die nur HA-Injektionen ohne HABpep erhalten hatten.

Das Team schlägt vor, dass HABpeps eine nützliche Ergänzung zur Viskosupplementation sein könnte, indem es dem HA hilft, länger am Ort zu bleiben. Sie schließen auch:

"Durch Biomaterialien vermittelte Strategien zur lokalen Bindung und Konzentrierung von HA könnten physikalische und biologische Vorteile bieten, wenn sie zur Behandlung von Gewebsglättungsstörungen und zur Beschichtung von medizinischen Geräten eingesetzt werden."

Obwohl es noch einige Zeit dauern wird, bis ein solches Material für den Menschen einsatzbereit ist, hebt das Team hervor, dass dies ein weiteres Beispiel dafür ist, wo die Natur die Lösung für ein medizinisches Problem inspiriert hat.

Prof. Elisseeff, der auch an der Johns Hopkins University Abteilungen für Biomedizinische Technik und für Materialwissenschaften und -technik ist, sagt:

"Was ich an diesem Konzept mag, ist, dass wir natürliche Funktionen nachahmen, die mit synthetischen Materialien verloren gegangen sind."

Inzwischen im November 2013, Medizinische Nachrichten heute erfahren, wie ein anderes, auch von der Natur inspiriertes Forscherteam Meereskorallen für den Einsatz in Knochentransplantaten verfeinert.