Der komplette oder fast vollständige Verlust des Dünndarms (auch Kurzdarmsyndrom, KDS, genannt) hat zur Folge, dass eine nur relativ kleine Resorptionsfläche des Dünndarms vorliegt. Dies führt dazu, dass die Eiweiß-, Energie-, Flüssigkeits-, Elektrolyt- oder Mikronährstoffbalance nicht aufrecht erhalten bleiben kann und der betroffene Mensch in seiner Verdauung eingeschränkt ist. Die Inzidenz (Anzahl an Neuerkrankungen pro Jahr pro 100000) des Kurzdarmsyndroms liegt bei zwei bis drei, die Prävalenz (bereits Erkrankte) bei vier pro einer Million Menschen pro Jahr. Bei Neugeborenen wird davon ausgegangen, dass auf 1000 Geburten drei bis fünf ein Kurzdarmsyndrom erleiden. Ursachen, die einen Dünndarmersatz im Säuglings- und Kindesalter zur Folge haben können, sind dabei Fehldrehungen bei der Darmanlage, Tumore und chronische Erkrankungen, nicht angelegte Dünndarmabschnitte und Torquierungen um die den Dünndarm versorgenden Gefäße mit Absterben des Gewebes. Im Erwachsenenalter sind es auch Infarkte und Thrombosen von den Dünndarm versorgenden Gefäßen [MN04].

Es gibt zwei Therapiemöglichkeiten des Kurzdarmsyndroms. Zum einen ist dies die intravenöse Ernährung, die jedoch eine erhebliche psychische Belastung des Patienten mit sich bringt und durch die benötigten Infusionen und Gerätschaften mit hohen Behandlungskosten behaftet ist. Zum anderen ist dies eine Dünndarmtransplantation. Dabei stellen jedoch die hohe Immunogenität, das heißt die große Zahl an Spender-Immunzellen im Spenderorgan, und der unsterile Darminhalt eine große Herausforderung dar [NW06]. Die Dünndarmtransplantation als einzige kausale Therapie ist mit einer 5-Jahres-Patienten- und Transplantat-Überlebensrate von lediglich 49% behaftet [Hor06]. Die beschriebenen unbefriedigenden Ergebnisse bei den Therapieansätzen und die Tatsache, dass ein Weiterleben ohne Dünndarm nur temporär möglich ist, zeigen den enormen Handlungsbedarf.

Teildegradierbare Textilverbundstruktur

Aus diesem Grund wurden im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts an der RWTH Aachen Untersuchungen hinsichtlich der Entwicklung einer teildegradierbaren Textilverbundstruktur als Dünndarmersatz vorgenommen. Eine neuartige Dünndarmersatzstruktur soll eine geringe Immunogenität aufweisen, das heißt, sie sollte möglichst keine Immunantwort des umliegenden Gewebes zum Beispiel in Form einer Entzündungsreaktion hervorrufen. Um dies zu unterstützen, sollte sie als temporäres Medikamenten-Trägersystem dienen und zur Verringerung von möglichen Entzündungsreaktionen das Antibiotikum Gentamicin freisetzen [BRK10]. Ferner muss es die Ansiedelung von Zellen zur Bildung einer biofunktionalen dünndarmspezifischen Barriere zum Erhalt der physiologischen Resorptionsfunktion gewährleisten und bis zur Ausbildung dieser Schicht dicht sein, um das Austreten von Darmflüssigkeiten und Bakterien in den Bauchraum zu verhindern. Des Weiteren muss die Ersatzstruktur den durch die Peristaltik hervorgerufenen mechanischen Belastungen standhalten. Das Implantat-Konzept sieht daher eine teildegradierbare Textilverbundstruktur vor, bestehend aus einer nicht degradierbaren, in-vivo-langzeitstabilen, textilen Netzkomponente, welche in eine resorbierbare Kunststoffmatrix eingebettet wird. Die resorbierbare Matrix dient zum einen als initiale Abdichtung der Textilkomponente, um ein Austreten von Darmsubstanz in den Bauchraum zu vermeiden, zum anderen soll sie als bioaktives Gerüst mit integrierten Wachstumsfaktoren und Wirkstoffen fungieren, um im Körper die Regeneration des Darmgewebes zu ermöglichen. Die Textilstruktur verbleibt als Langzeitimplantat im Körper und dient der dauerhaften mechanischen Stabilisierung des Weichgewebes vergleichbar mit der textilen Komponente eines Faserverbundbauteils.

Die ideale Textilstruktur sollte basierend auf maximaler Biokompatibilität des Materials physiologisch in die Darmwand integriert sein. Erfahrungen aus der Hernienchirurgie haben gezeigt, dass kleinporige Textilstrukturen die Ausbildung einer unerwünschten Narbenplatte, auch „Bridging-Effekt“ genannt, begünstigen [KJK05]. Daher sollte die Textilstruktur hochporös mit einem minimalen Porendurchmesser von einem Millimeter sein, um eine gute Zelleinwachsung bei Vermeidung der Ausbildung einer Narbenplatte zu gewährleisten. Dies kann bei einer durch Wirktechnologie erzeugten Tüll-Filet-Bindung sichergestellt werden. Zur Untersuchung der Eignung einer solchen Textilstruktur für einen Dünndarmersatz wurden vergleichende Kraft-Dehnungs-Untersuchungen mit biologischem Schweinedünndarm und verschiedenen Textilstrukturen aus Polyvinylfluorid (PVDF) innerhalb des physiologischen Arbeitsbereichs von Dünndarmgewebe durchgeführt. PVDF wurde ausgewählt, da es biologisch inert, geruchlos, geschmacklos, nicht toxisch, biokompatibel, nicht resorbierbar und wenig thrombogen ist [Eck08]. Es wurde eine Textilstruktur in Tüll-Filet-Bindung mit einer Maschendichte von 12 Maschenreihen pro Zentimeter hergestellt aus einem PVDF-Multifilament 210 dtex 10f identifiziert, die ein mit Schweinedünndarm vergleichbares Kraft-Dehnungsverhalten aufweist.

Resorbierbares Polymer

Des Weiteren wurde Poly-epsilon-caprolacton (PCL) als das flexibelste der resorbierbaren Polymere für den Einsatz in einer Dünndarmersatzstruktur ausgewählt. Um sicherzustellen, dass das Material auch im Körper ausreichend lange seine mechanischen Eigenschaften behält, wurden umfassende mechanische Untersuchungen zur Änderung des dynamischen Verhaltens des Materials in Abhängigkeit der Degradation durchgeführt. Zunächst wurde die kritische Dehnung von PCL bei Raumtemperatur zu 1,743% und bei 37°C zu 1,868% bestimmt. Anschließend wurden Hysteresemessungen durchgeführt. Die verwendeten Proben wurden dafür in einer Pufferlösung (PBS), die den osmotischen Druck des menschlichen Organismus‘ besitzt, mit einem pH-Wert von 7 in einem Brutschrank bei 37°C gelagert. Das Polymer wurde von Boehringer Ingelheim Pharma bezogen. Es zeigte sich, dass erst nach fünf Wochen ein Abfall der mechanischen Eigenschaften des Materials zu erkennen ist. Da bereits nach vier Wochen eine dichte Zellschicht auf dem Implantat wächst, die ein potenzielles Austreten von Darmflüssigkeit verhindert [HNK+01], bietet sich PCL für den Einsatz als Dünndarmersatzmaterial prinzipiell an.

Für die Herstellung einer Verbund-struktur aus PVDF-Netz und resorbierbarem Polymer wurde eine Spritzprägeeinheit entwickelt. Diese kann auf einer Kleinstspritzgießmaschine Babyplast 6/10-P der Christmann Kunststofftechnik, Kierspe, eingesetzt werden. Die Prägeeinheit verhindert ein Verziehen des Textils, wie es im konventionellen Spritzgießen der Fall wäre. Weiterhin ist durch den Einsatz einer Kleinstspritzgießmaschine der Materialverbrauch des hochpreisigen, resorbierbaren Polymers minimal und die Herstellung reproduzierbarer Bauteilqualitäten gewährleistet. Die Herstellung von Verbundbauteilen aus PVDF-Netz und PCL mit dieser Spritzprägeeinheit war erfolgreich. Jedoch zeigte sich, dass die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundstruktur wesentlich schlechter sind, als die der Einzelkomponenten. Die Integration eines PVDF-Netzes führt zu einer Verstärkung des resorbierbaren Polymers zu Lasten seiner Flexibilität, wodurch der entsprechende Darmbereich während des Zellwachstums weniger flexibel ist. Es ist jedoch zu erwarten, dass dieser nach Wachstum neuer Zellen und Resorption des PCL wieder eine entsprechende Flexibilität aufweist.
Bei der Transplantation eines Fremdorgans stellen, neben dem in der Zukunft steigenden Bedarf an Spenderorganen, Abstoßungsreaktionen ein großes Problem dar. Daher müssen die Entwicklung und der Einsatz künstlicher Organe verstärkt werden. Zum einen können diese als temporäre Hilfe bis zur Regeneration des lebenden Organs eingesetzt werden, zum anderen aber auch als permanenter Funktionsersatz von defekten Organen.

Das IGF-Forschungsvorhaben 280 ZN der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Neue Technologie
Künstliche Organe

Künstliche Organe lassen sich entweder als temporäre Hilfe bis zur Regeneration des lebenden Organs oder als permanenter Funktionsersatz von defekten Organen einsetzen. Das vom IKV entwickelte Implantat besteht aus einem nicht resorbierbaren textilen Gerüst, welches den sich neu bildenden Dünndarm dauerhaft unterstützt und einer resorbierbaren Polymermatrix, die für die Dichtheit des Implantats sorgt, bis eine ausreichend dicke Zellschicht auf dem Implantat gewachsen ist.

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Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Walter Michaeli, Institutsleiter, IKV, Aachen, Theresa Kauth, wiss. Mitarbeiterin, IKV, Prof. Dr.-Ing. Thomas Gries, Institutsleiter, Institut für Textiltechnik (ITA) RWTH, Aachen, Thorsten Deichmann, wiss. Mitarbeiter, ITA, Dr. Karsten Jun