Uni Bayreuth Seidenfasern zur Nervenheilung

Thomas Scheibel, Professor am Lehrstuhl für Biomaterialien, mit dem Modell eines Nervs. Foto: Archiv

Das Material ist sehr effizient und nachhaltig – in Biofabrikation hergestellte Spinnenseide. An der Universität Bayreuth gelang es Forschern jetzt, künstliche Fasern zu entwickeln, die Nerven zum Wachstum anregen.

Bayreuth - Seit er vor gut zwanzig Jahren aus den USA zurückkehrte, erforscht Thomas Scheibel die Spinnenseide. Am Lehrstuhl für Biomaterialien der Universität Bayreuth ist ihm und seinem Team in diesen Tagen erneut ein Forschungserfolg gelungen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Was geschieht, wenn ein Nerv durchtrennt wird? „Die Nervenenden versuchen sich wiederzufinden und den Spalt zu schließen“, erläutert der Professor im Gespräch mit unserer Zeitung. Wenn diese Lücke zu groß sei, könne eine Art Schienensystem dazu beitragen, dass die losen Enden wieder zusammenwachsen. Auf diesen Leitstrukturen wachsen auch Nervenzellen.

Die spezielle Nervenfaser aus Bayreuth kann aber noch mehr. Denn die biotechnologisch hergestellte Faser aus Spinnenseide besitzt zwei Funktionen.

An einer Hälfte können sich Zellen anheften, auf der anderen Seite ausgewählte Substanzen. „Es lassen sich zum Beispiel so Nervenwachstumsfaktoren ansetzen“, erläutert der Biomaterialienforscher.

Normalerweise dauere es einige Monate, bis sich ein sechs Zentimeter großer Spalt eines durchtrennten Nervs wieder schließe. Mit Hilfe der neuartigen Faser können aber leitende Nervenbahnen nachgebaut und Zellen zum Wachstum veranlasst werden. „Wir können den Organismus dabei unterstützen, dass er schneller heilt.“

Die Anwendung ist nicht nur bei geschädigten Nerven möglich, sondern auch bei Muskelzellen. In Tierversuchen an Schafen sei dies in Hannover und Wien bereits getestet worden. Langfristig schwebt Scheibel eine medizinische Anwendung am Patienten vor. Dafür käme zum Beispiel eine Kooperation mit dem Bayreuther Klinikum infrage.

Spinnenseide besitzt für die regenerative Medizin eine große Bedeutung. Sie ist äußerst fest, wirksam und biologisch abbaubar. Und sie habe keinerlei Auswirkungen auf das biologische System des Menschen. Bislang seien keine Nebenwirkungen gefunden worden, so Scheibel.

Ein Hundertstel so groß wie der Durchmesser eines Haares

In Bayreuth wird Spinnenseide von einem gentechnisch veränderten Mikroorganismus produziert. Dabei sind die Fasern winzig und nur ein Hundertstel so groß wie der Durchmesser eines Haares. 200 bis 300 Nanometer messende Fasern, die in eine künstliche Röhre oder eine eigens dafür vorbereitete Vene gepackt werden.

Die „janusköpfigen“ Spinnenseidenfasern werden in einem besonderen Verfahren konstruiert. Auf der einen Seite wurde das Spinnenseidenprotein verändert, indem eine Aminosäure die ursprüngliche Ladung umkehrte. Auf der anderen Seite wurde die Aminosäure Cystein angefügt. Mit Cystein kann „Klickchemie“ betrieben werden: die Materialien reagieren miteinander, als ob man sie nur anklicken würde.

Spezielles Elektrospinnverfahren mit Trennmembran

Durch ein Elektrospinnverfahren und einer Trennmembran in der Spinndüse entsteht das neue Produkt. Eine Seite wurde mit Gold-Nanopartikeln belegt, um die Spinnenseide leitfähig machen. Damit ließe sich auch das Wachstum von Muskelzellen stimulieren: „Muskeln lassen sich elektrisch anregen, das wäre auf einem solchen halbseitigen Golddraht aus Spinnenseidenfasern möglich.“ An diesen doppelseitigen Seidenfasern forschten zwei Doktoranden ganze sechs Jahre lang, wie Scheibel weiter berichtet. Ein Mitautor des Artikels, Gregor Lang, ist inzwischen selbst Professor. Die Dritte im Bunde ist Carolin Grill.

„Riesengroßer Bedarf für die Anwendung im Menschen“

Die biotechnologisch produzierte Spinnenseide selbst ist als Material bereits zugelassen. Für die neuartigen Fasern, die noch nicht zugelassen sind, sei ein verkürztes Verfahren denkbar, so Scheibel, um nicht Jahre darauf warten zu müssen. „Es gibt tatsächlich einen riesengroßen Bedarf für die Anwendung im Menschen, um die Nervenregeneration zu unterstützen.“

Die Forscher konzentrieren sich derzeit auf das periphere Nervensystem. Eine besondere Herausforderung sei dabei, die Sensorik nach erlittenen Verletzungen wieder herzustellen.

Sonderforschungsbereich mit Unikliniken Erlangen und Würzburg

Was wie Zukunftsmusik klingt, ist für die Wissenschaftler bereits Alltag. Die Universität Bayreuth ist seit 2018 Teil eines Sonderforschungsbereichs (SFB) für Biofabrikation. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat ihn für weitere vier Jahre verlängert. Er trägt den Titel „Von den Grundlagen der Biofabrikation zu funktionalen Gewebemodellen“ (SFB-TRR 225).

In diesem Forschungsverbund arbeiten die Universität Bayreuth sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Universität Würzburg zusammen. Sprecher für den Standort Bayreuth ist Thomas Scheibel.

Zwei zusätzliche Professuren für den Ausbau der Biofabrikation

Der auf zwölf Jahre angelegte Transregio-SFB befasst sich etwa mit der Produktion künstlicher Herzmuskelzellen und Blutgefäßen. In Bayreuth sind interdisziplinäre Arbeitsgruppen mit Polymerforschung und Neuen Materialien befasst. In Erlangen liegt der Schwerpunkt auf biomedizinischen und biotechnischen Fragen. In Würzburg werden spezielle Anwendungspotenziale für die regenerative  Medizin  erforscht. Für den Ausbau des Bereichs Biofabrikation werden zwei zusätzliche Professuren in der bayerischen Hightech-Agenda finanziert. Eine davon ist bereits besetzt, bei der zweiten soll die Besetzung in den kommenden Monaten erfolgen.

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