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Biotechnologie: Das Kniegelenk auf einem Chip

Organ-on-a-Chip-Verfahren helfen, schmerzhafte Gelenkerkrankungen zu erforschen und bessere Therapien dagegen zu entwickeln.
Kniegelenk im Röntgenbild

Gelenkerkrankungen wie Arthritis und Arthrose sind ein großes medizinisches Problem; in Deutschland leiden schätzungsweise sechs Millionen Menschen an diesen qualvollen Einschränkungen. Damit gehören sie zu den häufigsten Krankheiten des Bewegungsapparats. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten sind begrenzt, bergen Risiken und verlieren mit der Zeit an Wirkung.

Seit 2014 forschen wir in der Abteilung für orthopädische Chirurgie der University of Pittsburgh darüber, wie sich die Therapieoptionen verbessern lassen. Dabei arbeiten wir mit künstlichen, auf Zellkulturen basierenden Gelenk-Imitationen. Sie erlauben uns, die Mechanismen der Arthrose zu untersuchen, um die Krankheit besser zu verstehen und wirksam zu behandeln. Im Jahr 2022 haben wir ein System entwickelt, mit dem sich verschiedene Gewebetypen auf einem Biochip züchten und manipulieren lassen. Damit analysieren wir, wie die krankheitsbedingten Schmerzen entstehen, und testen Arzneistoffkandidaten zum Lindern der Qual. Mit unserem Versuchsaufbau führen wir Laborexperimente durch, in denen wir den Ursachen von Gelenkschmerzen auf den Grund gehen, ohne dabei auf Tierversuche angewiesen zu sein.

Indem wir verschiedene Gewebe, ihre Funktionen und Wechselwirkungen auf unserem Chipsystem nachbilden, erforschen wir, woher die Schmerzen bei diesen Gelenkbeschwerden rühren. Wir erhalten so wertvolle Daten, die zu besseren und möglicherweise sogar personalisierten Therapien führen können.

Arthrose ist schon lange eine Geißel der Menschheit – davon zeugen historische Skelettfunde, Kunstwerke und medizinische Texte. Sie gehört zu den am weitesten verbreiteten Gelenkerkrankungen, befällt Hände, Knie, Hüften, Schultern und Knöchel und betrifft bis zu 35 Prozent der über 50-Jährigen. Viele Faktoren erhöhen das Arthroserisiko, darunter ein gehobenes Alter, vorherige Gelenkverletzungen, das Einsetzen der Wechseljahre, Übergewicht, Schiefstellungen der Extremitäten und übermäßige Gelenkbelastung. Am häufigsten betroffen sind die Knie. Der per Bildgebung nachweisbare Gelenkschaden steht jedoch kaum in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Pein, weshalb unklar ist, welche physiologischen Veränderungen sie hervorbringen …

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  • Quellen

Cross, M. et al.: The global burden of hip and knee osteoarthritis: Estimates from the Global Burden of Disease 2010 study. Annals of the Rheumatic Diseases 73, 2014

Lin, H. et al.: Human mesenchymal stem cell-derived miniature joint system for disease modeling and drug testing. Advanced Science 9, 2022

Makarczyk, M. et al.: Current models for development of disease-modifying osteoarthritis drugs. Tissue Engineering Part C Methods 27, 2021