Tropoelastin: Auf der Suche nach innovativen Materialien für die Wundversorgung

Moderne Wundauflagen unterstützen den Körper bei der Wundheilung und verkürzen so die Behandlungszeit. Es gibt eine Vielzahl von Produkten, auf die Ärztinnen und Ärzte zurückgreifen können.

In einem Gemeinschaftsprojekt untersuchten das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und die Skinomics GmbH bis Ende 2021 die Eignung eines Strukturproteins als Wundauflage.

Welche Vorteile die Verwendung von humanem Tropoelastin haben könnte und wie weit die Forschenden in ihrem Vorhaben gekommen sind, darüber sprach Dr. Christian Schmelzer vom Fraunhofer IMWS im Interview mit COMPAMED.de.

Herr Dr. Schmelzer, zuerst einmal – was ist Tropoelastin?

Dr. Christian Schmelzer: Tropoelastin wird in unseren Zellen gebildet. Das ist aber nur eine Art Zwischenstufe. Das eigentliche Produkt ist Elastin. Dieses entsteht außerhalb der Zelle, in der sogenannten extrazellulären Matrix, indem die Tropoelastinmoleküle zu einem Verbund vernetzt werden. Die entstehenden Fasern haben nur einen Durchmesser von zwei bis drei Mikrometern und sind auf unterschiedliche Weise in unserem Körper angeordnet. In der Haut zum Beispiel ist die Faserstruktur zweidimensional und relativ ungeordnet. In den Blutgefäßen sind es dreidimensionale, lamellare Strukturen. Im Knorpel dagegen sind es Wabenstrukturen – je nachdem, welchen mechanischen Verformungen die entsprechenden Organe und Gewebe ausgesetzt sind. Das ist ja die Aufgabe des Elastins: unserem Gewebe Elastizität und Spannkraft zu geben. Die Projekt-Idee war es, dass wir das Zwischenprodukt – also Tropoelastin – nutzen, um ein Produkt zu erhalten, welches wir durch entsprechende Modifizierung individuell und maßgeschneidert einsetzen können.

Welche Vorteile birgt humanes Tropoelastin gerade in der Wundversorgung?

Dr. Schmelzer: Bei Verletzungen wird Elastin geschädigt. Es kann vom Körper nicht nachgebildet werden. Das humane Tropoelastin wird vom Körper aber nicht als Fremdstoff erkannt. Eine immunologische Abstoßung bleibt aus.

Unser Material ist abbaubar. Dem Körper könnte also wieder etwas zugeführt werden. Genauso wäre denkbar, dass es als Wirkstoffträger eingesetzt wird, also zum Beispiel Schmerzmittel oder Entzündungshemmer mit eingearbeitet, die dann kontrolliert freigesetzt werden.

Aber natürlich haben wir auch die mechanischen Eigenschaften im Blick. Die Wundauflage sollte eine gewisse Verformbarkeit aufweisen.

Dadurch, dass wir das Tropoelastin rekombinant (biotechnologisch hergestellt; Anm. d. Red.) herstellen, können wir die mechanischen Eigenschaften ebenso nachträglich beeinflussen, wie auch die enzymatische Stabilität. Wir haben also ein Material, welches nicht nur an die Position der Wunde und an mechanische Notwendigkeiten anpassbar ist, sondern eben auch an die Art der jeweiligen Wunde selbst.

Wie genau sind Sie im Projekt verfahren, um dieses biomedizinisch einsetzbare Material herzustellen?

Schmelzer: Zunächst einmal mussten wir ein Verfahren etablieren, mit dem wir die Herstellung und Reinigung eines rekombinanten Tropoelastins ermöglichen. In unserem Fall haben wir das Protein unter Nutzung des E.coli-Bakteriums hergestellt. Wir haben diesen Herstellungsprozess so optimiert, dass wir eine größtmögliche Menge bei einem hohen Reinheitsgrad erhalten. Anschließend wollten wir das Produkt noch modifizieren. In unserem Fall war das Ziel eine Hydroxylierung, die im nativen Tropoelastin auch vorkommt. Das war zwar sehr schwierig, ist uns zum Projektende hin aber gelungen.

Es handelte sich um ein Gemeinschaftsprojekt. An der MLU Halle wurde das biotechnologische Verfahren zur Modifizierung des rekombinanten Tropoelastins entwickelt. Unsere Aufgabe am IMWS war es zu bestimmen, welche bestimmten Modifikationen vorkommen und wo im Material diese stattfinden. Es laufen eine Reihe von Modifikationen ab, bevor Elastin entsteht.

Die Weiterverarbeitung hat dann wieder am Fraunhofer-Institut stattgefunden. Wir haben durch ein Elektrospinnverfahren Halbzeuge hergestellt. Mit diesem Verfahren lassen sich Fasern mit einem extrem geringen Durchmesser spinnen. Wir sprechen hier von Werten im Submikrometerbereich, also mehreren 100 Nanometern. Dadurch konnten wir die natürlichen Fasern im Körper sehr gut nachbilden.

Anschließend haben wir das so entstandene Material hinsichtlich Porengröße, Faserdurchmesser, Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften charakterisiert. Bei der Skinomics GmbH wurden schließlich präklinische Untersuchungen durchgeführt und Demonstratoren aus den Materialien entwickelt.

Das Projekt ist beendet. Welche Erkenntnisse haben Sie im Projektzeitraum gewinnen können?

Schmelzer: Wir haben eine ganze Reihe von spannenden Ergebnissen erzielt. Was wir in diesem Projekt zeigen konnten, ist die Machbarkeit. Es ist uns erstmalig gelungen, solche natürlichen Modifikationen in ein synthetisch hergestelltes Material einzubringen. Bei biotechnologisch erzeugten Produkten ist das nicht immer einfach. Die entstandenen Vliese wie auch Hydrogele sind – aufgebracht auf entsprechendes Trägermaterial – als Wundauflage definitiv zu verarbeiten. Von einem fertigen Endprodukt sind wir aber noch weit entfernt. Die hohen Kosten der Herstellung sind derzeit limitierend. Die beste Wundauflage nützt nichts, wenn der Preis dafür nicht stimmt.

Zwar haben wir die Zielstellung, Tropoelastin als Wundversorgungsmaterial zu gewinnen noch nicht aufgegeben, müssen aber noch an der Skalierung und den Kostenfaktoren arbeiten. Wir wollen aber auch die Modifikationen weiter verfeinern. Wir denken, dass dort noch großes Potenzial vorhanden ist – nicht nur für bessere Wundauflagen, sondern auch im Hinblick auf das Verständnis der Wirkweise von Elastin im Körper allgemein.