Spider Silk Laboratory

 

Spinnenseide, bekannt für ihre besonderen mechanischen Eigenschaften wie extreme Dehnbarkeit und Reißfestigkeit, bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich. Das Spider Silk Laboratory hat sich in den letzten Jahren intensiv mit dem Einsatz von Spinnenseide im Bereich der regenerativen Medizin beschäftigt. In verschiedenen Modellen wurde eine gute Bioverträglichkeit beobachtet. Das Material ist darüber hinaus vollständig degradierbar (im Körper abbaubar) und bietet sich als Biomatrix (Struktur zur Besiedlung mit Körperzellen) an. Zahlreiche Anwendungstechniken und Medizinprodukte wurden und werden entwickelt. Derzeit liegen die Schwerpunkte unserer Forschung im Bereich der Nervenregeneration mittels einer Leitschiene aus Spinnenseide, der Gewebezucht (u.a. Haut, Knorpel und Sehnen) auf Spinnenseide, sowie dem Einsatz der Seide als Nahtmaterial. Die verwendete Spinnenseide stammt von goldenen Radnetzspinnen aus eigener Zucht. Das Gewinnen der Seide ist für die Tiere schmerzfrei und schadet ihnen nicht.

wenige Wochen alte Spiderlinge

adulte Nephila edulis

Regeneration peripherer Nerven mit Spinnenseide

 

Nerven des peripheren Systems können nur begrenzt regenerieren. Im Falle eines Defekts über eine größere Strecke konnte dieser bisher meist nur mit einem autologen (körpereigenem) Transplantat oder im schlimmsten Fall gar nicht therapiert werden. Die Verwendung eines körpereigenen Spendernerven zieht jedoch einen weiteren Defekt an der Entnahmestelle nach sich. Die Folgen können von Taubheitsgefühl bis hin zu motorischen Ausfällen reichen. Auch die Bildung von Neuromen im Defektbereich ist ein bekanntes Problem. In zahlreichen Studien konnte gezeigt werden, dass ein Interponat aus Spinnenseide zu einem Wiedererlangen von Motorik und Sensorik führte. Die Seide ermöglicht ein gerichtetes Neuauswachsen der Axone im Defektbereich, die Einwanderung von Schwann-Zellen ermöglicht zudem die Remyelinisierung.. In der histologischen Auswertung konnte eine komplette axonale Regeneration über die gesamte Defektstrecke von 6 cm im Schafmodell nachgewiesen werden. Die Remyelinisierung führte zu einer messbaren Verbesserung der Nervenleitgeschwindigkeit in den Transplantaten. Zu entzündlichen Reaktionen oder Abstoßungen kam es nicht. Der Einsatz von Spinnenseide stellt damit eine Alternative zur Transplantation autologen (körpereigenen) Nervengewebes dar.

 

Nahtmaterial

 

Unter Verwendung einer eigens für diesen Zweck konstruierten Miniatur-Reepschlägerei kann Spinnenseide zu winzigen Seilen geschlagen werden, die als mikro-chirurgisches Nahtmaterial eingesetzt werden können. In Studien, die die Morphologie (Beschaffenheit) und die Biomechanik der geschlagenen Fäden untersuchten, konnte gezeigt werden, dass das Nahtmaterial aus Spinnenseide 2 ½-mal reißfester als Nylon ist - momentan Goldstandard in der peripheren Nervenchirurgie - und ein deutlich günstigeres Elastizitätsverhalten zeigt.

Nahtmaterial aus Spinnenseide im elektronenmikroskopischen Bild

Bild 1: 100 µm

Bild 2: 200 µm

 

Tissue Engineering und Wundbehandlung

 

Die Wahl der richtigen Matrix ist ein entscheidender Faktor erfolgreichen Tissue Engineerings. Einerseits sollte die Matrix biodegradierbar sein, andererseits sollte eine gewisse mechanische Belastbarkeit des Materials gegeben sein. Spinnenseide bietet beides. Darüber hinaus zeigt sich auf der Seide eine erhöhte Zelladhäsion. Gleichzeitig fungiert sie als Leitstruktur für ein gerichtetes Wachstum der Zellen.

 

Durch verschiedene Verarbeitungstechniken wie das „Crosslinken“ einzelner winziger Spinnenseidefäden oder das Verweben der Fäden können für unterschiedliche Applikationen individuell geformte Matrices hergestellt werden. Diese eignen sich nicht nur für das Tissue Engineering, wie z.B. der Synthese artifizieller Haut (siehe unten) oder elastischen Knorpels, sondern auch zur Herstellung von Wundbehandlungsmaterial.

Artifizelle Haut mit Spinnenseidematrix: Abb. a HE-Färbung, Abb. b elektronenmikroskopische Aufnahme

Ehrungen und Auszeichnungen

 

Robert Bosch Preis Schule trifft Wissenschaft mit dem Projekt Schule und Forschung – Spinnenseide in der Medizin (Bionik) 2012– 2. Platz

 

Sonderpreis der Initiative Hochschul-Impuls zur Identifikation und Umsetzung zukunftsfähiger Ideen aus den Hochschulen der Region Hannover für das Projekt „Tissue engineering mit Spinnenseide zur Rekonstruktion peripherer Nerven".

 

Innovationspreis Deutsche Hochschulmedizin 2007 mit dem Projekt „Tissue engineering biokompatibler Nervenimplantate mit Spinnenseide als Trägermaterial und Venolen als Hüllmaterial zur Rekonstruktion peripherer Nerven beim Menschen“

 

Innovationspreis Bioregionen 2007 mit dem Projekt „Nervenregeneration mit Spinnenseide“

 

Patente

 

Internationale Patentanmeldung PCT/EP2006/066049 „Nervenimplantat“

US Patentanmeldung 14/947,699 Medizinische Hochschule Hannover, Allmeling, Vogt, Reimers

 

Internationale Patentanmeldung beim Europäischen Patentamt: PCT/EP 2006/069562

Neural implant formed of thread-like spider silk „Implant“ Medizinische Hochschule Hannover, Allmeling, Vogt, Reimers

 

Weiterführende Literatur

 

Allmeling C, Jokuszies A, Reimers K, Kall S, Vogt PM (2006): J Cell Mol Med 10(3): 770-777

 

Allmeling C, Jokuszies A, Reimers K, Kall S, Choi CY, Brandes G at al. (2008): Cell Prolif. 2008 Jun;41(3):408-20

 

Kuhbier JW, Allmeling C, Reimers K, Hillmer A, Kasper C et al. (2010): PLoS One 5(8):e12032

 

Radtke C, Allmeling C, Waldmann KH, Reimers K, Thies K et al. (2011): PLoS One 25;6(2):e16990

 

Kuhbier JW, Reimers K, Kasper C, Allmeling C, Hillmer A et al. (2011): J Biomed Mat Res Part B 97(2):381-7

 

Wendt H, Hillmer A, Reimers K, Kuhbier JW, Schäfer-Nolte F et al. (2011) : PLoS ONE 6(7): e21833.

 

Strauß S, Reimers K, Allmeling C, Kuhbier JW, Radtke C et al. (2013): Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik.

 

Hennecke K, Redeker J, Kuhbier JW, Strauss S, Allmeling C et al. (2013): PloS One, 8(4), e61100.

 

Schäfer-Nolte F, Hennecke K, Reimers K, Schnabel R, Allmeling C et al. (2014): Annals of surgery, 259(4), 781-792.