Plastische Chirurgie Im Zeichen der Weber 

Bereits die alten Griechen verwendeten Spinnenseide als Verbandmaterial, um Blutungen zu stillen und die Wundheilung zu fördern. Diese Praxis hielt sich bis ins Mittelalter, geriet dann aber in Vergessenheit. 1621 berichtete der italienische Arzt und Philosoph Epifanio Fernando in einem Brief, er habe Spinnenseide für medizinische Anwendungen gewebt. Wiederentdeckt wurde das Biomaterial vor einigen Jahren im „Spidersilk Laboratory“ der Medizinischen Hochschule Hannover. Dort erkannten Forscher, dass Hautzellen die feinen Fäden besiedeln und sich darauf gut vermehren können. Anschließend löst sich das stützende Gerüst aus Spinnenfäden auf, ohne schädliche Rückstände zu hinterlassen. Ausgehend von diesen Erkenntnissen, ist es gelungen, mit Hilfe der biokompatiblen Spinnfäden zerstörte Nervenzellen zu regenerieren, künstliche Haut zu züchten sowie feines und zugfestes Nahtmaterial herzustellen.

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Aus  Phobie wird Leidenschaft

“Man müsste ein Material haben, so fein wie Spinnenfäden“ - dieser Wunsch eines Operateurs war für Christina Allmeling, Projektleiterin des „Spidersilk Laboratory“, der Anlass, sich eingehend mit Spinnenseide zu beschäftigen. Anfangs musste sie nicht nur ihre Angst vor Spinnen überwinden, sondern auch ihre Vorgesetzten davon überzeugen, dass ihre Phantasie bei diesem Vorhaben nicht mit ihr durchgegangen war. Nach einigen Besuchen in Zoos erwies sich die handtellergroße senegalesische Spinne Nephila als besonders geeignet, weil der Faden ihres Schleppseils immer ein Stück aus dem Unterleib herausschaut. Allerdings lässt sich Nephila nicht in Terrarien halten. Im Spidersilk Labor bewohnen die Spinnen inzwischen drei Räume, in denen sie, wenn ihre Seide nicht „geerntet“ wird, ungestört zwischen Ästen ihre Netze weben können.

Die ersten Gehversuche

Die ersten Erfahrungen zur Biokompatibilität der Spinnenseide sammelten die Forscher bei der Regeneration von Nervenzellen. Werden Nerven durch ein Trauma verletzt oder von einem Tumor infiltriert, versucht man Lähmungen der versorgten Areale zu verhindern, indem man den Defekt durch körpereigene Nerventransplantate überbrückt. Die Ergebnisse sind jedoch nicht immer zufriedenstellend, und zudem wird eine gesunde Körperregion durch die Entnahme des Transplantats geschädigt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nervenzellen dazu zu bringen, von selbst nachzuwachsen. Allerdings muss ihr Wachstum durch eine Art Schiene in die gewünschte Richtung gelenkt werden. Dazu verwendet man üblicherweise Röhrchen aus Kollagen oder Silikon, bei einer zu überbrückenden Strecke zwischen drei und fünf Millimetern auch Polymere wie Silikon oder Polyethylen, die im Körper verbleiben. Allerdings müssen diese Materialien oft durch eine zweite Operation wieder entfernt werden, weil sie auf lange Sicht entweder Schadstoffe freisetzen oder die nachwachsende Nervenfaser einengen.

Ratten als Versuchskaninchen

Ein anderes Verfahren zur Regeneration von Nervenzellen hat Allmeling gemeinsam mit Kollegen vom Labor für Regnerationsbiologie in Hannover ersonnen. Anstelle der künstlichen Röhrchen verwenden sie Stücke einer dezellularisierten Vene, die sie innen mit Spinnenseide auskleideten. Aus in vitro-Versuchen wussten sie, dass die Spinnenseide nicht nur bioverträglich ist, sondern auch eine gute Leitstruktur für nachwachsende Nervenzellen darstellt. Insbesondere die Schwann’sche-Zellen, die eine isolierende Schicht rund um den elektrisch leitenden Nervenzellfortsatz, das Axon, bilden, wachsen an den Spinnenfäden entlang. Die Forscher um Allmeling haben das Verfahren zunächst an Ratten getestet, bei denen sie eine Verletzung des Ischiasnervs durch eine Leitstruktur mit Spinnenseide überbrückten. Die Ergebnisse waren so ermutigend, dass sie es kürzlich bei Schwarzkopfschafen anwendeten. Die Forscher um Christine Radtke und Christina Allmeling entfernten ein sechs Zentimeter langes Stück des Tibialnervs aus der Kniekehle im Hinterbein der Tiere. Er versorgt und stimuliert die Wadenmuskulatur. Bei einigen Schafen wurde die Lücke mit Schweinevenen überbrückt, die man mit Spinnenseide ausgekleidet hatte. In den Venen waren zuvor alle Schweinezellen entfernt worden, damit diese nicht das körpereigene Immunsystem der Schafe aktivierten. Die Schafe einer Vergleichsgruppe erhielten Nerventransplantate aus dem eigenen Körper: ein sechs Zentimeter langes Nervenstück wurde umgedreht und wieder eingepflanzt. Das nennt man autologe Transplantation (“Plos One“, doi: 10.1371/journal.pone.0016990).

Rückstandslose Nervenbahnen

Die Schafe beider Gruppen zeigten unmittelbar nach dem Eingriff Sensibilitätsstörungen im Versorgungsgebiet des Nervs. Sie nahmen beim Gehen eine Schonhaltung ein. Nach etwa drei Wochen besserte sich das Gangbild der Tiere. Die Schafe mit dem Venen-Spinnenseiden-Konstrukt waren nach einem Monat schon wieder in der Lage, auf den Hinterbeinen zu stehen und die Füße koordiniert aufzusetzen. Als die nachgewachsenen Nerven nach zehn Monaten für eine histologische Untersuchung entnommen wurden, konnten die Forscher in beiden Gruppen alle für einen gesunden Nerven charakteristischen Strukturen nachweisen. Das Axon war von isolierenden Schwann’sche-Zellen umgeben, die in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen wurden. Dieses Muster aus isolierenden und leitenden Stellen ermöglicht eine schnelle Reizleitung durch die sprunghafte Ausbreitung der Signale. Darüber hinaus war bei der Gruppe mit dem Spinnenseiden-Konstrukt das Fremdmaterial offenbar inzwischen abgebaut worden, denn die Forscher konnten keine Rückstände mehr finden. Auch zeigten sich keine Entzündungszeichen im Gewebe.

Paradies für Hautzellen

Ein zweites Anwendungsgebiet, in dem sich die Spinnenseide bewährt hat, ist die Herstellung künstlicher Haut. Bei Brandwunden sind Eigenhaut-Transplantationen noch immer das Mittel der Wahl, die allerdings bei großen Wunden an ihre Grenzen stoßen. Materialwissenschaftler erkunden daher schon seit einigen Jahren die Möglichkeit, Hautzellen auf einem Biomaterial aufwachsen zu lassen.  Die Ansprüche an ein solches Material sind hoch, denn die Hautzellen sollten sich darauf nicht nur wohl fühlen und vermehren. Nach der Transplantation sollte sich das Gerüst zudem auflösen, ohne körperfremde Stoffe abzugeben oder das Immunsystem zu aktivieren. Spinnenseide erfüllt diese Bedingungen in einem hohen Maße. Doch wie verwebt man Spinnenfäden zu einer geordneten Struktur, auf der sich Hautzellen ansiedeln können?

Weben nur für Könner

Wissenschaftler des „Spidersilk Laboratory“ haben einen Miniaturwebrahmen aus dünnem Zahnarztdraht konstruiert, den sie mit dem Schleppseil einer lebenden, fixierten Radnetzspinne (Nephilia) bespannten. Die Spinne verwendet diesen Faden als Haltefaden und kann dessen Produktion nicht willentlich unterbrechen. Der Spinnfaden wird mit einer vom Institut für Technische Chemie an der Universität Hannover entwickelten Wickelmaschine auf den Webrahmen gespannt. Um eine Netzstruktur erhalten zu können, muss der Rahmen gekippt werden, so dass die Fäden ein schachbrettartiges Muster mit einer Maschenweite zwischen zehn und hundert Mikrometern bilden.

Es zeigte sich, dass Bindegewebszellen (Fibroblasten) sich auf dieser Struktur besser vermehren können als auf Materialien wie Kollagen oder Fibronektin, die in Säugetieren als Strukturproteine dienen. Bereits nach fünf Tagen war der Spinnenseide-Webrahmen vollständig von Fibroblasten besiedelt. Die Zellen, die das Stützgerüst der Lederhaut bilden, betrieben Stoffwechsel und waren auch nach drei Wochen in Nährlösung noch lebendig.

Haut aus zwei Schichten

Durch diese Ergebnisse ermutigt, versuchte die Arbeitsgruppe um Hanna Wendt nun, den zweischichtigen Aufbau der Haut aus Lederhaut und Oberhaut im Labor zu rekonstruieren. Sie stellten für die spätere Oberhaut eine Fläche aus geordneten Spinnenfäden her und darunter eine Lage mit geknäulten Fäden, die der Struktur der Lederhaut ähnelt. An der Oberfläche säten sie Vorläuferzellen der Keratinozyten aus - die dominierenden Zellen der Oberhaut - und darunter Fibroblasten. Weil die Lederhaut-Zellen ein flüssiges Nährmedium benötigen, wurde der Webrahmen auf einen Silikonring gelegt. Die Oberhaut-Zellen konnten dann an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft wachsen. Dünne Polymerfasern sorgten für den Transport von Nährstoffen und Abfallprodukten des Stoffwechsels. Nach 35 Tagen hatten die beiden Hautzelltypen alle Lücken zwischen den Spinnenfäden ausgefüllt und zeigten im Lichtmikroskop eine deutlich sichtbare zweischichtige Struktur (“Plos One“, doi: 10.1371/journal.pone.0021833).

Um die künstliche Haut auf Verbrennungsopfer transplantieren zu können, müsste die Zeit des Wachstums deutlich verkürzt werden. Eine Möglichkeit bestünde darin, Zellen des Patienten auf dem Webrahmen aus Spinnenseide auszusäen und schon nach einer kurzen Zeit zu transplantieren. Die Vermehrung der Zellen würde dann größtenteils im lebenden Organismus geschehen.

Nadeln und Spinnenfäden

Inzwischen ist es Allmeling und Jörn Kuhbier auch gelungen, aus Spinnenseide ein feines, biokompatibles und zugfestes Nahtmaterial zu entwickeln, mit dem man beispielsweise die feinen Nerven der Finger zusammennähen könnte. Üblicherweise verwendet man dafür Nylonfäden von zwanzig bis dreißig Mikrometern Stärke. Die Schleppfäden der Nephila sind allerdings nur etwa ein zwanzigstel Mal so dick. Gemeinsam mit seinen Kollegen entwickelte Kuhbier eine Miniatur-Reepschlägerei. Ähnlich wie bei Schiffstauen werden zwei oder drei Bündel aus je zehn bis fünfzehn Fäden verdrillt. (“Journal of Biomedical Material Research“, doi: 10.1002/jbm.b.31825). Dieses Nahtmaterial, das derzeit getestet wird, hat nicht nur den Vorteil, dass es sich nach einiger Zeit im Körper ohne schädliche Rückstände auflösen würde, sondern es ist auch zweieinhalbmal so reißfest wie Nylon. Seine Dehnbarkeit ist dagegen eineinhalb Mal so groß, so dass es bei kleinen Spannungen in der Wunde nachgeben würde.