Dicht an dicht füllen sie die Regale: Knochenteile, Gelenkmodelle, mikroskopische Querschnitte. Einige wirken porös und filigran, andere wie kunstvoll geschaffene Skulpturen. Georg Duda nimmt ein kleines Knochenmodell vorsichtig in die Hand, dreht es zwischen den Fingern, als wolle er ihm ein letztes Geheimnis entlocken. „Knochen sind ein Meisterwerk der Evolution“, sagt der Ingenieur und Biomechaniker. „So ein Material können wir bis heute nicht künstlich herstellen.“ Genau diese Strukturen stehen im Zentrum seiner Forschung. Als Sprecher des BIH Centrums für Regenerative Therapien (BCRT), Berlin Institute of Health an der Charité – Universitätsmedizin Berlin sucht er mit seinem Team nach neuen Wegen, um Verletzungen und Defekte an Knochen und Muskeln zu heilen.
Knochen sind ein wahres Wundermaterial: Im Verhältnis zu ihrem Gewicht sind sie härter als Granit und zugfester als Stahl. Dabei ist das Skelett in einem ständigen Prozess der Erneuerung. Im Laufe eines Jahres werden bis zu 15 Prozent der Knochenmasse ab- und wieder aufgebaut, rein rechnerisch wird das Skelett somit alle sieben Jahre rundum erneuert. Georg Duda ist jedoch vor allem von einer weiteren Besonderheit fasziniert, die uns in den Knochen steckt: ihre Selbstheilungskraft. „Nach einem Bruch wachsen Knochen in wenigen Wochen wieder zusammen – spurlos, ohne Narben“, erklärt Duda. „Kein anderes biologisches Gewebe kann das.“ Genau diese Selbstheilungskräfte sind es, die den Forscher seit Jahrzehnten umtreiben. Wie schaffen es die Knochen, in atemberaubender Geschwindigkeit zusammenzuwachsen? Und warum scheitert die Heilung manchmal oder verzögert sich?
Duda bewegt sich mit seiner Arbeit im wachsenden Forschungsgebiet der Regenerativen Therapien. Ziel dieses Ansatzes ist es, die Mechanismen hinter körpereigenen Heilungsprozessen zu verstehen – und neue Therapien zu entwickeln, die sich diese Selbstheilungskräfte zunutze machen. Die Forschung an der regenerativen Medizin läuft bereits seit Beginn der 2000er Jahre auf Hochtouren. Damals träumten Forschende davon, aus Stammzellen ganze Organe im Labor zu züchten. Kranke könnten so ein neues Herz oder eine Leber erhalten, ohne auf Spender:innen angewiesen zu sein – ethisch unbedenklich und in beliebiger Menge. Doch die Realität holte sie bald ein. Die Entwicklung dreidimensionaler Organe erwies sich als weitaus komplexer als gedacht. Organe entstehen im komplexen Zusammenspiel von Zellen, anderen Organen und dem Immunsystem. Dieses System außerhalb des Körpers nachzubauen ist ein schwieriges Unterfangen. „Auch die Bedeutung der biomechanischen Kräfte auf Zellebene war damals noch nicht klar“, sagt Duda.
Der Ingenieur weiß, wovon er spricht: Er ging nach seinem Studium an der Technischen Universität Berlin zuerst in die Forschung an Gelenkprothesen, wo er die Kräfte erforschte, die auf Implantate, Knochen und Gelenke wirken. Die Frage, welchen Einfluss dieselben mechanischen Kräfte auch auf der Mikroebene – im Bereich von Zellen und Molekülen – haben, faszinierte ihn schon damals. Gemeinsam mit einer Reihe anderer Wissenschaftler:innen ging er diesem Forschungsgebiet auf den Grund. „Mechanische Einflüsse werden von den Zellen direkt wahrgenommen und lösen unterschiedlichste Reaktionen aus“, weiß er heute. Zellen ziehen und zerren aneinander, üben gegenseitigen Zug aus, halten sich an Strukturen fest und bewegen sich recht schnell innerhalb von Geweben. Mechanische Kräfte können von den Zellen auch in biochemische Reaktionen umgewandelt werden, und so beispielsweise die Produktion von Botenstoffen oder die Ausbildung von bestimmten Gewebetypen hervorrufen.
Längst ist damit in Berlin ein Umfeld entstanden, das internationale Forschende im Bereich der Regenerativen Therapien anzieht. „Die hohe Zahl an herausragenden Arbeitsgruppen in der Charité und der Fokus auf translationale Forschungsansätze machen Berlin interessant“, lobt Ludovic Vallier den Wissenschaftsstandort. Der Stammzellforscher kam 2022 von der Universität Cambridge ans BCRT, um seine Arbeiten an der Biologie der Leber mit Unterstützung einer Einstein-Professur zu verfolgen. Seine Labor- und Büroräume sind von einem internationalen Stimmgewirr erfüllt. Mittendrin sitzt Vallier in einem halboffenen Büro mit Glaswänden und muss erstmal ausholen, um seine Forschung zu erklären. „Vor über 30 Jahren wurden die ersten menschlichen pluripotenten Stammzellen gewonnen“, so Vallier, der bereits seit über zwei Jahrzehnten an Stammzellen forscht. „Jetzt sehen wir die ersten klinischen Anwendungen.“
Vallier hat eine Methode entwickelt, um pluripotenten Stammzellen Leberzellen zu züchten. Die Leber, ein hochkomplexes Organ, erfüllt im Körper zahlreiche Aufgaben: Sie speichert Energie, filtert Giftstoffe und ist ein körpereigenes Chemielabor für Fette, Eiweiße, Verdauungsenzyme und andere wichtige Moleküle. Während Neugeborene Monate brauchen, bis ihre Leberzellen Schritt für Schritt für einzelne Aufgaben trainiert sind und das Organ voll funktionsfähig ist, reifen die Leberzellen in Valliers Labor in nur 20 Tagen.
Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: von akutem Leberversagen bis zu chronischen Erkrankungen wie Zirrhose, bei der die Leber zunehmend vernarbt. Vallier hat in einer Machbarkeitsstudie bereits eine zellbasierte Lebertherapie entwickelt. Sie basiert auf einem durchlässigen Beutel, der temporär in die Bauchhöhle in Nähe der Leber implantiert wird. Ein vollständiges, von Blutgefäßen durchzogenes Organ ist das noch nicht, aber dem Traum, wichtige Funktionen im Körper durch synthetische Organe mit Zellen aus dem Labor erfüllen zu können, ist er damit einen ersten Schritt nähergekommen. In Zukunft könnten 3D-Strukturen, beispielsweise aus speziellen 3D-Druckern, diese Art des Tissue Engineering weiter ausbauen – viele Forschende im Bereich der regenerativen Therapien arbeiten an solchen Methoden.
Valliers Implantat soll die Leberfunktion erstmal nur temporär übernehmen, um dem Organ Zeit zu geben, sich nach akuten Verletzungen zu erholen. Die Fähigkeit der Leber, sich selbst zu regenerieren, ist legendär: Schon die griechische Mythologie erzählt davon, wie ein Adler täglich von der Leber der Sagengestalt Prometheus frisst und das Organ immer wieder nachwächst. Die Hoffnung ist groß, dass dies auch bei der regenerativen Therapie von Vallier funktionieren könnte – das künstliche Überbrückungsorgan soll die Leber vorübergehend entlasten, um ihre eigenen Selbstheilungskräfte zu aktivieren. „Wir haben jetzt ausreichend Grundlagenforschung gemacht, um erste klinische Studien anzugehen“, sagt Vallier. Doch die sind teuer: Rund 20 Millionen Euro könnte eine solche Studie kosten.
Die Investition könnte sich lohnen. Denn der Bedarf an neuen Therapien für Lebererkrankungen ist groß, da Spenderorgane fehlen und Lebererkrankungen zunehmen. Vallier arbeitet daher parallel schon an Techniken, mit denen er seine Zellen aus der Petrischale direkt in die Leber injizieren kann. Dort sollen sie sich ansiedeln, vermehren und neues, intaktes Lebergewebe bilden. Denkbar wäre sogar, die neuen Leberzellen so umzuprogrammieren, dass sie Fett besser verarbeiten können oder gegen bestimmte Krankheiten resistent sind – mit der möglichen Aussicht, bislang nur äußerst schwer behandelbare Lebererkrankungen nachhaltig heilen zu können. In den nächsten Jahren sollen diese Ansätze in die klinische Erprobung gehen.
Auch Georg Duda hat seine Therapieansätze bereits in ersten klinischen Studien untersucht. In der Grundlagenforschung ist das Team auf einen potenziellen Wirkstoff gestoßen, um Entzündungsreaktionen drei bis vier Tage nach einem Knochenbruch gezielt zu unterbrechen und so den Weg für den natürlichen Heilungsprozess zu bahnen. Die Behandlung hat sich in den ersten Studien am Patienten als sicher herausgestellt. „Die Ergebnisse sehen vielversprechend aus“, sagt Duda.
In einer weiteren Studie untersuchte Duda in Kooperation mit einem europäischen Forschungsnetzwerk die Heilung von verletzten Muskeln nach der operativen Versorgung von Schenkelhalsbrüchen. Patient:innen mit gebrochenem Schenkelhals werden entweder mit schraubenartigen Implantaten oder mit künstlichen Hüftgelenken versorgt. Meist sind ältere Menschen betroffen. Nach den belastenden Operationen haben sie häufig verzögerte Knochenheilung, zudem werden bei dem Eingriff auch die Oberschenkelmuskeln in Mitleidenschaft gezogen. All dies führt zu erheblichen Problemen, nach dem Eingriff wieder mobil zu werden. „Die Sterblichkeit ein Jahr nach solchen Operationen ist bis heute ähnlich hoch wie bei bösartigen Tumoren“, sagt Duda.
Helfen soll nun eine regenerative Therapie. Dabei wird eine Lösung mit einer bestimmten Zellart in den verletzten Bereich gespritzt. Diese regenerativen Zellen reagieren auf chemische Notrufsignale von geschädigtem Gewebe und setzen daraufhin bestimmte körpereigene Moleküle frei. Dadurch werden die körpereigenen Reparaturmechanismen aktiviert, die Geweberegeneration gefördert und das Gleichgewicht des Immunsystems wiederhergestellt. In Studien zeigte sich, dass die regenerative Therapie die Muskelkraft der geschädigten Muskeln deutlich verbessern konnte. Patient:innen, die nach einer Schenkelhalsfraktur operiert wurden, zeigten dank der besseren Heilung der durchtrennten Muskeln auch ein besseres Gangbild – gerade für ältere Patient:innen ein großer Zugewinn.
Bis zur Zulassung und breiten Anwendung dieser neuartigen Therapien werden noch einige Jahre vergehen. Die Forschung von Georg Duda hat aber bereits Erkenntnisse hervorgebracht, die in der Chirurgie durchaus praktische Anwendung finden könnten, zum Beispiel bei Fragen nach optimierten Operationstechniken. „Nach einem Knochenbruch entfernen die Chirurgen häufig das im Bruch angesammelte Blut“, sagt Duda. Ein Fehler, wie er meint. Denn dieses Blut ist die Ursuppe, aus der die Heilung erfolgt. Und die Kraft, sich selbst zu heilen, steckt in jedem Körper – man muss nur die richtigen Bedingungen schaffen, um diese Kraft freizusetzen.