Ein Fall für die Forschung

Der Meniskus im Knie ist verletzungsanfällig. Doch bloße Reparatur reicht nicht mehr, es geht heute darum, die Selbstheilungskräfte des Körpers zu aktivieren. Warum der Meniskus ein Schnittpunkt der Forschung im Feld der Orthopädie und der regenerativen Medizin ist.

Von Karin Pollack

Es ist unheimlich viel Druck, der auf nur wenigen Quadratzentimetern zusammenkommt. Wer auf- und abspringt und sich dabei um die eigene Achse dreht, kann sich vorstellen, wie viel Kraft zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein abgefedert werden muss. Dabei spielt der Meniskus die Hauptrolle. Es ist ein halbmondförmiges Faserknorpelgewebe jeweils innen und außen am Knie, das als Stoßdämpfer fungiert. Fantastisch daran ist die Tatsache, dass er durchschnittlich nur fünf Millimeter dick ist.

Deshalb hält das Knie zu großem Druck oft nicht stand. „Evolutionär betrachtet hat die Aufrichtung des Menschen die Belastung für den Meniskus stark erhöht“, erklärt Stefan Nehrer, Facharzt für orthopädische Chirurgie und Dekan an der Universität für Weiterbildung Krems. Mit anderen Worten: Anatomisch betrachtet ist der Meniskus eine Schwachstelle.

Knorpel retten

So kann etwa bei Sportunfällen das Kniegelenk so stark verdreht werden, dass der Meniskus reißt. Das große Problem daran: „Knochen bilden sich neu, Bänder wachsen nach, aber Knorpelgewebe nur eingeschränkt“, sagt Nehrer. Zum einen müssen Meniskusscheiben in Operationen bestmöglich versorgt und oft genäht werden. „Wenn die verletzte Fläche ein bis zwei Quadratzentimeter groß ist, wissen wir, dass die Funktionalität durch Defektheilung oder Vernarbung beeinträchtigt sein kann“, sagt er. Das ist insofern schlecht, als sich durch solche Defekte Entzündungen bilden können, die sich über die Jahre zu einer Arthrose entwickeln. Das bedeutet: Der Knorpel ist weg, Knochen reiben aneinander und jeder Schritt wird zur schmerzlichen Tortur.

Patient_innen hilft dann nur mehr ein künstliches Kniegelenk. „Eine Prothese muss jedoch immer die letzte Option sein“, sagt Nehrer, denn erstens könne sie nur ein einziges Mal eingesetzt werden, sie auszuwechseln sei technisch schwierig und mit Funktionsdefiziten verbunden. Für junge Patient_innen brauche man alternative Behandlungsmethoden und sie kommen aus der regenerativen Medizin. Sprich: die körpereigenen Heilkräfte sollen angekurbelt werden, damit sich Gewebe neu bildet. Dabei hat das Axolotl, ein mexikanischer Lurch mit der Fähigkeit, verlorene Gliedmaßen vollständig wieder neu zu bilden, eine Vorbildwirkung.

Was moderne Orthopädie kann

Die konkreten wissenschaftlichen Projekte dafür gliedern sich in drei große Bereiche. Zum einen gilt es, das Knorpelgewebe in seinem zellulären Aufbau und seiner Funktionsweise im Knie ganzheitlich im Verbund mit dem gesamten Skelettapparat zu verstehen. Eine zweite Stoßrichtung richtet sich auf die Versorgung von akuten Verletzungen. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt, welche körpereigenen Stoffe für den Heilungsprozess wichtig sind, und wie diese heilenden Zellen außerhalb des Körpers im Labor erzeugt werden können. Und schließlich geht es um die Bekämpfung von Arthrosen, also Gelenksabnutzung als Folge von schlecht verheilten Meniskus- und Knorpelverletzungen. Dabei spielt die Kenntnis von entzündlichen und immunologischen Prozessen eine Schlüsselrolle, weil es stets das Immunsystem ist, das mit einer Armada unterschiedlicher Zellen anrückt und fatalerweise Entzündungsprozesse vorantreibt. Um die Zerstörung von Gelenken aufzuhalten, können immunologische und regenerative Therapien sinnvoll sein. Ziel aus Sicht von Patienten und Patientinnen: Schmerzfreiheit. „Noch gelingt uns eine Degenerationsumkehr leider nicht“, so Nehrer.

Und schließlich geht es auch darum, künstliches Knorpelgewebe zu züchten. „Tissue Engineering“ ist der Fachbegriff für eine Disziplin, bei der natürliche biologische Prozesse für die Reparatur von Schäden nachgeahmt werden. Der Patient erschafft sich selbst neue Knorpel, könnte man sagen.

Doch alle drei Bereiche verbindet eine große Schwierigkeit: Die Anatomie und Funktion sowie die Heil- und Entzündungsprozesse von Knorpelgewebe verlaufen von Patient zu Patientin höchst unterschiedlich.

„Wir sehen deshalb einen Trend in Richtung personalisierte Therapien, ähnlich wie in der Krebsmedizin“, sagt Tobias Winkler, Orthopäde und Unfallchirurg mit österreichischen Wurzeln an der Berliner Charité. Als Spezialist für regenerative Medizin beschäftigt er sich intensiv mit Immunzellen.

Komplexe Grundlagen

Im Laufe seiner eigenen Karriere habe sich seine Sicht auf den Meniskus grundlegend verändert, sagt Nehrer. „Früher haben wir die statistische Belastbarkeit des Knies gemessen, heute erstellen wir für alle Patienten und Patientinnen individuelle Bewegungsanalysen, weil wir nur so erfassen, welche Punkte im Meniskus tatsächlich stark beansprucht sind.“ Diverse Beinfehlstellungen werden bei Therapien heute berücksichtigt. „Unsere Sicht auf die Funktion von Knorpel in seiner Anbindung zum Knochen ist umfassender geworden“, präzisiert auch Winkler. Balance, Symmetrie der funktionellen Beinachsen sowie individuelle Gangmuster sollten Teil jeder Anamnese sein.

Darüber hinaus hat sich Stefan Nehrer auch intensiv mit der Oberfläche des Meniskus beschäftigt. „Die Bewegung im Knie muss buchstäblich reibungslos funktionieren“, sagt er. Im Knorpelgewebe des Meniskus selbst gibt es zudem Drucksensoren, die dazu führen, dass das Gewebe mit Nährstoffen versorgt wird. Das heißt: Gelenke bleiben gesund, wenn sie genutzt werden. „Wir beginnen gerade erst zu verstehen, welch eminent wichtige Rolle Bewegung spielt.“

Akutbehandlung verbessern

Konkret geht es in den internationalen Forschungsnetzwerken aber auch um die optimale Versorgung von akuten Verletzungen. Zur Erinnerung: Ist die verletzte Fläche im Meniskus und Knorpel zu groß, verändern sich die Biomechanik und die Gleiteigenschaften der Gelenksoberfläche, was ein reibungsloses Funktionieren des Kniegelenks stört.

Gute Erfahrung bei Verletzungen hat man dabei mit plättchenreichem Plasma (PRP) gemacht. Wie das funktioniert? Einem verletzten Patienten wird Blut entnommen, das im Labor zentrifugiert wird. Dabei trennen sich die Blutbestandteile. Das auf diese Weise gewonnene PRP wird direkt ins Gelenk injiziert und führt dazu, dass all jene unterschiedlichen Zellverbände angelockt werden, die den kaskadenförmigen Verlauf des Heilprozesses verbessern. Den großen Durchbruch hatte diese Therapie 2010, als damit ein verletzter Football-Spieler für das Superbowl-Turnier wieder fit gemacht werden konnte. Seit damals haben sich die Herstellungsverfahren von PRP weit verbreitet und verschiedene Techniken etabliert.

Ein anderer Fokus am Zentrum für Regenerative Medizin an der Universität für Weiterbildung Krems liegt auf den extrazellulären Vesikeln (EV), ebenfalls Partikel im Blut, die microRNA und Wachstumsfaktoren enthalten und bei Verletzungen vermehrt ausgeschwemmt werden. „Als Boten der Heilung“ werden EV auch aufgrund ihrer koordinierenden Wirkung zwischen den unterschiedlichen Zellpopulationen bezeichnet. Momentan erforscht das Zentrum, ob diese EV nicht nur aus dem Blut, sondern auch aus Fettgewebe oder dem Knochenmark gewonnen werden können.

„Wir interessieren uns dafür, was während und in den unmittelbaren Sekunden nach einer Verletzung des Knorpelgewebes passiert“, sagt die Veterinärmedizinerin Lisa Fortier von der Cornell University in den USA, die zusammen mit einem Team von Biophysiker_innen und -ingenieur_innen in einem Laborsetting live beobachtet, was im Knorpel auf Zellebene passiert. Konkret interessiert sie sich für die Signalwege des Kalziums und deren Verbindung zur mitochondrialen Dysfunktion im Gewebe. Ein Weg einzugreifen wären Peptide, die diesen Prozess aufhalten könnten. Wichtiger als alles andere sei interdisziplinäres Denken, betont sie. Die Erkenntnisse aus dem Labor seien auch für den Menschen relevant. Erkenntnisse über Knorpelgewebe seien artenübergreifend, betont sie.

Arthrosen stoppen

„Unsere Erfahrung zeigt, dass zelluläre Therapien bei frischen und gut abgegrenzten Knorpeldefekten auf der Gelenksfläche gut funktionieren können“, sagt der Biomediziner Ivan Martin vom Departement Biomedizin am Universitätsspital Basel. Als Spezialist für Knorpelregeneration weiß er, dass ab einem gewissen Degenerationsgrad spezielle Maßnahmen ergriffen werden müssen. Und Tobias Winkler präzisiert: „Eine Sportverletzung in der Jugend kann sich in der Lebensmitte als Arthrose bemerkbar machen.“ Früharthrosen stoppen: Das ist Tobias Winklers erklärtes Ziel.

Konkret beschäftigt er sich mit entzündlichen Prozessen und den Regulierungsmechanismen des menschlichen Immunsystems. Winkler will Entzündungen durch mesenchymale Stromazellen aus der Plazenta stoppen. „Diese Zellen frieren die Entzündung ein“, sagt er. Zur Erläuterung: Die Plazenta ist für die regenerative Orthopädie deshalb von Interesse, weil dieses Organ bei einer Schwangerschaft sämtliche Abstoßungs- und damit Entzündungsprozesse im weiblichen Körper außer Kraft setzt. Wäre das nicht so, würden Schwangerschaften niemals erfolgreich verlaufen. In der regenerativen Orthopädie sollen mesenchymale Stromazellen aus der Plazenta als Stopper von Entzündungen im Gelenk und damit auch im Knorpelgewebe fungieren. Das Problem daran: Studien zeigen, dass das bei manchen funktioniert, bei anderen aber nicht. Deshalb testen Winkler und seine Kolleg_innen derzeit genetische Prädispositionen ab. „Wir wollen Biomarker-Kataloge erstellen, mit denen wir im Vorhinein feststellen können, ob eine Behandlung erfolgreich sein wird.“

Ersatzknorpel züchten

Ist eine Arthrose fortgeschritten, muss auch das Knorpelgewebe auf der Gelenksfläche ersetzt werden. Biomediziner Martin kann es im Labor züchten. Für herkömmliche Therapien wird dafür eine kleine Menge von Knorpelgewebe aus wenig belasteten Bereichen des Gelenks entnommen. Die Zellen werden in Speziallabors aufbereitet, vermehrt und dann als Injektion in die geschädigten Areale eingebracht. Bei Arthrosen ist es jedoch nicht immer möglich, gesunde Zellen aus dem Gelenksknorpel zu entnehmen.

Vor zirka zehn Jahren hat Ivan Martin deshalb begonnen, Knorpelgewebe aus Zellen der Nasenscheidewand zu züchten. „Diese besitzen ähnliche Eigenschaften wie die Gelenksknorpel und lassen sich gut auf dreidimensionalen Gerüsten zu einem Knorpelgewebe züchten“, kann er berichten. Das Beste daran: Knorpelzellen aus der Nasenscheidewand scheinen im Labor sogar bessere Regenerationseigenschaften zu haben als jene, die direkt aus dem Gelenksknorpel von Patienten und Patientinnen kommen. Sie sind auch widerstandsfähiger gegenüber einer entzündlichen Umgebung, so wie es bei Arthrosen der Fall ist. Bislang wurden über 100 Patient_innen mit isolierten Knorpeldefekten im Rahmen von klinischen Studien erfolgreich behandelt. Einige Pilotpatient_innen, die unter Arthrose leiden, zeigen ebenfalls vielversprechende klinische Ergebnisse, die jedoch erst in kontrolliert-randomisierten Studien mit größerer Patient_innen-Zahl überprüft werden müssen.

Blick in die Zukunft

Über die großen Fragen in der regenerativen Medizin sind sich Stefan Nehrer, Lisa Fortier, Tobias Winkler und Ivan Martin einig. Abgesehen von der Weiterentwicklung bestehender Verfahren geht es darum, eine Systematik zu entwickeln, welche Verletzungen mit welchen Therapien behandelt werden. Dabei sind anatomische Kriterien im Kniegelenk, die Schwere von Verletzung bzw. Degeneration, aber auch das Alter und die Grundkonstellation von Patient_innen mit ins Kalkül zu ziehen.

Einstweilen sind biomedizinische Verfahren noch kostspielig. Bis zum Tag, an dem Patient_innen nach Meniskusverletzungen standardmäßig heilungsfördernde Injektionen bekommen können, wird es noch dauern. Doch auch gezielte Bewegungstherapien sind Teil der neuen regenerativen Medizin, in Deutschland werden spezielle Bewegungs-Apps bereits von der Krankenkasse bezahlt. Denn Gymnastik hat sich evidenzbasiert als schmerzlindernd erwiesen. Und damit kann das Knie dem Druck wieder standhalten.

Karin Pollack ist Mitglied der Redaktion beim Magazin Pragmaticus.