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Zahnheilkunde 31. März 2010

Nanotechnik aus der Tiefsee für Zahn- und Knochenersatz

Mainzer Universitäten starten Kooperation mit der Tsinghua University und der Chinese Academy of Geological Sciences in Peking.

Die Forschungen konzentrieren sich dabei auf die Entwicklung neuartiger Materialien für den Zahn- und Knochenersatz und bauen auf Erkenntnissen auf, die man bei Untersuchungen zur Biosynthese anorganischer Verbindungen durch Tiefseeorganismen gewonnen hat. Davon verspricht man sich u. a. Fortschritte bei der Behandlung von Osteoporose und Knochenbrüchen.

Die Koordination liegt in den Händen von Prof. Dr. Werner E. G. Müller vom Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie der Universitätsmedizin Mainz. Er und sein am selben Institut tätiger Kollege Prof. Dr. Dr. Heinz C. Schröder sind weltweit führende Experten für die Identifizierung, Klonierung und gentechnologische Herstellung von Enzymen (Silicateine), die den Tiefseeschwämmen die Synthese ihres Silikatskelettes ermöglichen. Diese bereits seit dem Präkambrium vor mehr als 600 Millionen Jahren existierenden Meeresbewohner besitzen die einzigartige Fähigkeit, Silikat enzymatisch zu synthetisieren („Biosilikat“). Die „Hybrid-Zusammensetzung“ aus anorganischen und organischen Komponenten verleiht dem Material exzellente mechanische Eigenschaften und macht es hochinteressant, auch für die Nanotechnologie. Bereits seit Jahren arbeiten Müller und Schröder dabei zusammen mit Prof. Dr. Xiaohong Wang vom National Research Center for Geoanalysis der Chinese Academy of Geological Sciences in Peking. Wang ist die führende chinesische Forscherin für Tiefseebiomineralien und Tiefseeschwämme mit dem Fokus auf Biosilikat sowie eine Expertin in der Spurenelementanalyse.

Metallhältige Bakterienknollen

Neben diesen eukaryotischen Organismen stehen aber auch Prokaryonten im Fokus: Bakterien, die am Boden der Tiefsee in Manganknollen leben. Diese etwa faustgroßen Gebilde liegen lose in 4.000 bis 5.000 Metern Tiefe an bestimmten Stellen auf dem Meeresboden und haben sich über Jahrmillionen gebildet. Laut Müller wachsen die Knollen in einer Million Jahren nur um einen Millimeter. Sie bestehen zu zirka 30 Prozent aus Mangan und zu zirka 20 Prozent aus Eisen, enthalten aber noch weitere wertvolle Metalle wie etwa Kobalt und Nickel. Wang und Müller konnten nun erstmals zeigen, dass die Mineralisation in den Knollen biologisch induziert wird, von eben jenen genannten endolithischen Bakterien. Sie sind mit sogenannten S-Layer-Proteinen dekoriert, die als Kristallisationskeime für die im Meerwasser gelösten Metallionen dienen. In beiden Fällen handelt es sich also um Biomineralisationsprozesse, aus denen komplexe Hybridmaterialien entstehen. Spezialist auf diesem Gebiet ist Prof. Dr. Wolfgang Tremel vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Johannes-Gutenberg-Universität. Er ist ebenso an dem „Joint Lab“ beteiligt wie PD Dr. Dorrit E. Jacob vom Institut für Geowissenschaften (Arbeitsgruppe Biomineralisation) der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. Sie ist Expertin auf dem Gebiet der Bildung und Analytik kalziumhaltiger Mineralien und unterhält bereits zahlreiche Kooperationen im asiatisch-pazifischen Raum.

Im Rahmen des Projekts sollen zunächst die molekularen Mechanismen untersucht werden, die der Bildung von Metalloxiden durch Tiefseeorganismen zugrunde liegen. Anschließend ist geplant, die Gene der beteiligten Enzyme zu identifizieren, zu klonieren und zu exprimieren, so wie es Müller und Schröder bereits bei den Schwämmen gemacht haben. Sobald das geschehen ist, können die rekombinant hergestellten Enzyme bzw. Proteine zur Synthese neuartiger Komposit-Materialien verwendet werden, die dann bei Knochenbrüchen und -erkrankungen eingesetzt werden sowie als Zahnersatz dienen können. Nach erfolgreicher Durchführung entsprechender klinischer Studien hoffen die Forscher schließlich, dass sie aus ihren Ergebnissen einen neuartigen Therapieansatz für Osteoporose-Patienten entwickeln können.

Bioaktiv und biologisch abbaubar

Die zunehmende Bedeutung der Nanotechnologie und der wachsende Einfluss des asiatisch-pazifischen Raums (Asian Pacific Research Area, APRA) auf die Entwicklung dieser Technologie wurden von der Bundesregierung und der Europäischen Union erkannt, sodass auf diesem Gebiet vielfältige Förderprogramme initiiert wurden. Bereits 2002 wurde in China ein nanomedizinisches Knochenersatzprodukt patentiert und in klinischen Studien getestet. Seitdem wurden mehr als 3.000 Patienten erfolgreich mit dem sogenannten „Nano-Bone“ behandelt. Nano-Bone ist hoch porös und aus extrem feinem Nano-Hydroxylapatit aufgebaut. Diese Struktureigenschaft ermöglicht ein Anheften der Zellen und Einwachsen in den Knochen. Wie Tierversuche ergaben, ist Nano-Bone bioaktiv und biologisch abbaubar. Das vielversprechende Knochenersatzmaterial wurde von Prof. Dr. Fu-Zhai Cui entwickelt, dem Direktor des Biomaterials Lab am Department of Materials Science & Engineering der Tsinghua University in Peking. Cui konzentriert sich seit Jahren auf Entwicklungen im Bereich Tissue Engineering, wobei er eng mit der am selben Institut forschenden Materialwissenschaftlerin Prof. Dr. Qingling Feng zusammenarbeitet. Feng wurde für ihre Forschungsleistungen zu Struktur und Eigenschaften biomedizinischer Materialien vielfach ausgezeichnet.

 

 Quelle: www.unimedizin-mainz.de

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