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Baustelle Körper |
Aus der Tagesschau vom 25.11.2050:
„Wie die Deutsche Stiftung Organtransplantation mitteilte, ist mit dem heutigen Tag die Warteliste für Leberspenden komplett abgearbeitet. Nach den Listen für Nieren, Bauspeicheldrüsen und einigen weiteren Organen, ist dies eine wichtige Zäsur in der Medizingeschichte. Dieser Umstand ist aber nicht auf die höhere Zahl der Organspender zurückzuführen, sondern darauf, dass Wissenschaftler verschiedener Disziplinen immer besser dazu in der Lage sind, Gewebe und ganze Organe in vitro aus körpereigenen Zellen der Patienten zu züchten.“
Bis wir solche Meldungen hören, wird wohl wirklich noch einige Zeit vergehen. Dass aber große Anstrengungen unternommen werden, um körpereigenes Gewebe sozusagen im Reagenzglas zu züchten, ist schon lange Realität. Das Tissue Engineering (so nennt man die Züchtung künstlichen Gewebes) ist ein recht neues und erfolgreiches Forschungsgebiet. Hier arbeiten Molekularbiologen, Mediziner, aber auch Materialwissenschaftler eng zusammen, um Gewebe oder sogar ganze Organe herzustellen, die den Ansprüchen des menschlichen Körpers möglichst gerecht werden.
Materialwissenschaft in der Medizin ist überhaupt ein großes Thema. So sind in den letzten Jahren große Fortschritte bei Materialien für Knochenschrauben, Gelenkersatz etc. gemacht worden. Vor allem bioabbaubare und biokompatible Materialien werden in großem Stil erforscht und hergestellt. |
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| Frage 1 (Klassenstufe 7-11) |
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| Unter den Kunststoffen machte in den letzten Jahren vor allem PLA von sich reden. – ein Kunststoff, der einige Eigenschaften aufweist, die für die Chirurgie interessant sind. |
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| Was verbirgt sich hinter dem Kürzel PLA? |
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| Lösung: |
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PLA steht für Polymilchsäure, Poly Lactic Acid
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| Was ist der Grundbaustein dieses Kunststoffes/Polymers? |
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| Lösung: |
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Milchsäure
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 8-11) |
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PLA findet heute schon sehr viele Anwendungsmöglichkeiten, z.B. wird dieser Kunststoff gerne für transparente Verpackungen verwendet, da er glasklar ist.
Weil er biologisch gut abbaubar ist, findet er auch in der Medizin und der Pharmazie Verwendung, z.B. als chirurgische Nähseide.
Allerdings hat PLA nicht nur Vorteile, weshalb z.B. bei Knochenschrauben rege an Alternativen geforscht wird. |
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Ordnet die Materialien ihren Beschreibungen zu, indem ihr in die Textfelder die Nummer des zugehörigen Materials schreibt:
1. PLA
2. Magnesium
3. Titan
4. Calciumphosphat
...ist im Moment noch der Standard in der Chirurgie. Schrauben aus diesem Material sind sehr stabil und verbleiben unverändert im Körper. Nachteile dieses Materials sind
zum Beispiel sein Verhalten im MRT. Bei Nachuntersuchungen überstrahlt der Stoff im MRT alles, so dass das umliegende Gewebe schlecht zu beobachten ist.
Die Schrauben sind nicht bioabbaubar, müssen also auf jeden Fall chirurgisch entfernt werden, eine zweite OP ist immer notwendig.
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| Lösung: |
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3. Titan
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| Schrauben aus diesem Stoff haben folgende Vorteile: sie werden im Körper langsam (die Geschwindigkeit ist einstellbar) abgebaut, eine OP zur Entfernung der Schrauben entfällt. Die Bausteine, die beim Abbau entstehen, existieren im Körper selbst (endogene Substanzen), so dass der Körper sie verstoffwechseln und abbauen kann. Es gibt allerdings auch Probleme: aufgrund ihrer chemischen Natur senken diese Bausteine den pH-Wert, was Entzündungen hervorrufen kann. Außerdem gibt es bei diesem Material als Knochenstütze oft Probleme mit der Stabilität. |
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| Lösung: |
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1. PLA
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| Noch in der Erforschung sind Legierungen mit diesem Stoff: auch sie lösen sich auf, allerdings viel langsamer als Stoff b). Die entstehenden Abbauprodukte sollen sogar unterstützend auf den Heilungsprozess wirken. Verschiedene Legierungen werden derzeit noch getestet. |
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| Lösung: |
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2. Magnesium
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| Knochen aus diesem Material sollten insofern ideal sein, als dass sie quasi aus derselben Substanz wie der Knochen selbst bestehen. Man erhofft sich von solchen noch im Versuchsstadium befindlichen Keramikschrauben, dass sie quasi mit dem Knochen verwachsen, mit ihm eins werden. |
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| Lösung: |
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4. Calciumphosphat
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 9-11) |
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 Beim Tissue Engineering wird versucht, aus körpereigenen Zellen Gewebe bis hin zu ganzen Organen außerhalb des Körpers zu züchten und wieder in den Körper einzupflanzen.
Geht es wirklich um die Züchtung von Geweben oder Organen, sind 4 Dinge wichtig:
- ein Gerüst, auf dem die Zellen wachsen können, ein „Scaffold“, wie die Wissenschaftler sagen
- die richtigen Zellen (meist Stammzellen oder Vorläuferzellen)
- Wachstumsfaktoren
- und Nahrung für die Zellen
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Man muss den Zellen sozusagen eine Umgebung schaffen, in der sie sich wohlfühlen.
Zum Beispiel bei der Züchtung von Haut oder bei Knorpelgewebe ist man schon recht weit gekommen. Eine Leber zu züchten ist aufgrund der komplexen Stoffwechselvorgänge, die sich dort abspielen, natürlich wesentlich schwieriger, aber selbst hier gibt es schon vielversprechende Ansätze. Noch wurde kein Transplantat gezüchtet, aber es konnten schon Bioreaktoren hergestellt werden, die außerhalb des Körpers die Aufgaben der Leber für einige Zeit übernehmen. So kann sich eine entlastete Leber ein Stück weit regenerieren oder die Zeit bis zum Eintreffen einer Spenderleber überbrückt werden.
Wenn man sich mit dem Thema Transplantation beschäftigt, fallen immer wieder die Begriffe xenogene, allogene und autogene/autologe Transplantation. |
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Was verbirgt sich hinter diesen Begriffen?
autolog/autogen: |
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| Lösung: |
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Spender und Empfänger sind dieselbe Person
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| allogen: |
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| Lösung: |
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Organübertragung von Mensch zu Mensch
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| xenogen: |
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| Lösung: |
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Übertragung eines Organs tierischen Ursprungs auf den Menschen.
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| Angenommen, es wäre möglich, aus einzelnen Zellen eines Patienten eine komplett neue Leber zu züchten. Abgesehen von der Verfügbarkeit: Welchen großen Vorteil hätte der Patient, bekäme er eine Leber aus seinen eigenen Zellen statt einer Organspende? |
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| Lösung: |
Da es sich um seine eigenen Zellen handelt, wird der Körper das Organ nicht als fremd erkennen. Somit entfällt ein großes Problem von Transplantationen, nämlich die lebenslange Unterdrückung der Immunabwehr des Patienten.
Bekommt ein Patient heute ein Spenderorgan, muss er regelmäßig Medikamente einnehmen, damit der Körper das Organ nicht abstößt. Trotz der Medikamente kommt es aber zu Immunreaktionen, so dass einige Transplantate oft in Mitleidenschaft gezogen werden und nach 10 bis 15 Jahren, manchmal sogar früher, wieder ersetzt werden müssen.
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 10-11) |
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Gerüstbau:
Ein Beispiel, wie in dieser Disziplin gearbeitet wird, ist die Entwicklung von Herzklappen mit einem Kollagengerüst:
Dazu werden Herzklappen aus Schweinen soweit gesäubert, dass nur die sogenannte Matrix übrig ist. Sie besteht im wesentlichen aus Kollagen.
Damit ist die mechanische Belastbarkeit sozusagen schon getestet - das Kollagen wurde ja von der Natur für den Einsatz als Herzklappe designt. |
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| Was ist Kollagen chemisch gesehen und weshalb kann man es in einen anderen Organismus einsetzen? |
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| Lösung: |
Kollagen besteht nur aus Proteinen und kommt in allen Wirbeltieren (Mensch eingeschlossen) vor. Lebende Zellen sind keine mehr vorhanden. Deshalb kann Kollagen auch in anderen Organismen eingesetzt werden, ohne dass die Gefahr einer Immunabwehr besteht.
Bisher erhalten Patienten oft Herzklappen aus Metall: Diese haben den Nachteil, dass die Patienten lebenslang starke Medikamente brauchen, die die Bildung von Blutgerinnseln an den Metallteilen verhindern. Häufig werden auch heute schon Herzklappen von Schweinen eingesetzt; allerdings handelt es sich dabei nur um das nackte Kollagengerüst: Die Klappen verkalken mit der Zeit und müssen ersetzt werden. Deshalb soll das Kollagen zukünftig eine neue Oberfläche erhalten, die dem Körper des Herzklappenempfängers ein körpereigenes Organ „vorgaukelt“: man versucht, Schweineklappen mit den Zellen des Menschen zu besiedeln, der die neue Klappe erhalten soll.
So hat man mit einem fremden Gerüst ein „körpereigenes“ Transplantat geschaffen.
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| Zusatzfrage (Klasse 11) |
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| Tissue Engineering ist allerdings nicht nur für körpereigene Ersatzteillager interessant. Auch der Pharmaforschung erschließen sich durch diese Disziplin völlig neue Möglichkeiten. |
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| Wozu kann so ein Bioreaktor oder anderes in vitro gezüchtetes Gewebe noch dienen außer als Ersatz im Körper? |
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| Lösung: |
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In der Forschung, kann Metabolisierung von neuen Medikamenten simulieren und Tierversuche reduzieren.
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