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Im Fokus der Forschung: die Seidenspinne Nephila senegalensis im Tierpark und Fossilium Bochum.
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Im Fokus der Forschung: die Seidenspinne Nephila senegalensis im Tierpark und Fossilium Bochum.

Wissenschaft

Spinnen: Seide soll für Medizin verwendet werden

Spinnenseide ist extrem belastbar, widerstandsfähig und antibakteriell - perfekt für medizinische Implantate.

Von Marlen Schubert

Millionen Deutsche tragen Fremdmaterialien in ihrem Körper. Implantate oder künstliche Gelenke sollen Beschwerden lindern. Doch in manchen Fällen können sie neue Leiden auslösen. Der Körper nimmt das fremde Material nicht immer an, es kommt zu Abstoßreaktionen. Forschung, Wissenschaft und Industrie suchen deshalb nach Lösungen, um Materialien langlebiger und verträglicher zu gestalten.

Die Natur selbst dient hier als beste Lehrmeisterin, denn sie kennt keinen Müll – Materialien werden entweder abgebaut, sind Nahrung für andere Lebewesen oder Grundlage für neues Leben. Ein besonderer Stoff aus der Natur ist die Spinnenseide. Sie besteht zum größten Teil aus Proteinen, ist biologisch abbaubar und verhindert den Befall mit Keimen. Daraus resultiert ein großes Anwendungspotenzial der Seide: von Kosmetik über Kleidung bis hin zu Medizinprodukten.

Spinnenseide in der Medizin: Bereits in der Antike im Einsatz

Die Idee, Spinnenseide in der Medizin zu verwenden, gibt es schon lange. Thomas Scheibel, Professor für Biomaterialien an der Universität Bayreuth, erzählt: „Bereits in der Antike, vor über 2000 Jahren, wurden Spinnennetze als Wundverbände eingesetzt, weil man wusste, dass die Wunde sauber und steril bleibt und auch schneller heilt.“ Denn in der Natur schützt die Spinne ihre Beute durch ein keimfreies Netz vor Schimmel. Im Laufe der Evolution musste sie sich an ihre fliegende Beute anpassen. Damit die Insekten weder das Netz wie ein Projektil durchschlagen noch wie eine Art Spiegelei darin kleben bleiben, entwickelte die Spinne eine besondere Technik: Das Netz verformt sich beim Aufprall zunächst, verteilt so die Energie und geht dann in die Ursprungsform zurück.

Spinnenseide kombiniert Eigenschaften, die man so sonst nicht sieht. Stahl beispielsweise ist reißfest, Gummi dehnbar. Spinnenseide ist beides. Anna Bartz forscht an der Uniklinik RWTH Aachen daran, Spinnenseide für den Knochen- und Knorpelersatz zu nutzen. Sie sagt: „Würde man ganz viele Fäden zu einem Zentimeter Durchmesser zusammenlegen, also zu einem Seil spinnen, könnte man acht Tonnen tragen. Das zeigt wie zug- und reißfest so ein Seil ist.“ Somit ist Spinnenseide 2,5-mal reißfester als Nylon. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften machen sie laut Scheibel auch für die Ballistik interessant. Die zähe, dehnbare und Energie verteilende Faser der Spinnenseide könne als eine von mehreren Komponenten in kugelsichere Westen eingesetzt werden.

Spinnenseide vereint Festigkeit, Dehnbarkeit und ist abbaubar

Doch Spinnenseide vereint nicht nur Festigkeit und Dehnbarkeit. Sie ist biologisch abbaubar, hitzebeständig und antibakteriell. Aufgrund dieser Eigenschaften wird sie in der Medizin in unterschiedlichen Bereichen verwendet – denn im Gegensatz zu anderen Materialien wird Spinnenseide vom Körper besser aufgenommen. Anna Bartz sagt, damit werde das Risiko einer Kapselfibrose reduziert: „Also, dass der Körper auf das Fremdmaterial reagiert und Abstoßungsreaktionen entstehen können.“ Sie benutzt die Spinnenseide auch deshalb in ihrem Forschungsprojekt. Dabei zieht sie die Seide auf kleine Webrahmen auf und züchtet auf diesem Trägermaterial Knochenzellen.

Bioökonomie

Schwerpunkt: Innerhalb unserer Reihe „Zukunft hat eine Stimme“ stellen wir über mehrere Wochen hinweg spannende Forschungsansätze vor und berichten, wie Bioökonomie schon jetzt in der Praxis angewandt wird.

Um die Superkräfte der Algen ging es unter anderem. In den kommenden Ausgaben lesen Sie etwa, wie Batterien nachhaltiger werden und warum kein Palmöl auch keine Lösung ist.

WEITERLESEN: Eine Multimedia-Reportage der Studierenden gibt es hier: www.bioökonomie.info; mehr Infos: www.wissenschaftsjahr.de

Dieses soll dann an den geschädigten Ort im menschlichen Körper implantiert werden. Der Körper baut die Spinnenseide langsam ab und ersetzt sie schrittweise durch körpereigenes Gewebe – übrig bleibt nur noch das eingepflanzte Knochen- oder Knorpelmaterial. Die Struktur der Seide sei ideal, da auf ihr die Zellen besonders gut hafteten und wüchsen, sagt Bartz. Zudem helfe die Spinnenseide dabei, dass der Knochen- oder Knorpelersatz, der in den Körper implantiert werde, besser anwachse. Dieser wird beispielsweise zur Therapie von Knochenbrüchen, bei Osteoporose oder bei Tumoren benötigt.

Spinne Nephila: Ihre Seide soll der Medizin helfen

Bartz benutzt vor allem die Seide der tropischen Spinne Nephila. Im Tierpark Bochum melkt die Forscherin die Spinne: Dafür fixiert sie diese auf einem Stück Schaumstoff, entnimmt mit einer Pinzette den Hauptseilfaden – die sogenannte Dragline – aus der Spinnendrüse und wickelt diesen auf eine selbst konstruierte Maschine. Diese Maschine besteht aus einer Spindel und einem Regler, der die Seide aufwickeln und die Spindelgeschwindigkeit an die Spinne anpassen kann. In 15 Minuten könne sie so etwa 400 Meter Faden gewinnen. Für ein Knochenzellenimplantat braucht Bartz die Seide von drei bis vier Spinnen – also 1,2 bis 1,6 Kilometer Faden. Die Spinnenseide zieht Bartz dann auf einen Webrahmen. „Das Ziel ist, die optimale Trägerstruktur zu entwickeln, um Knochenersatz züchten zu können“, so die Projektleiterin.

Auch Thomas Scheibel arbeitet mit natürlicher Spinnenseide. Allerdings nutzt er sie für Weichgeweberegenerationen wie bei Herzmuskel-, Haut- oder Nervenregenerationen. Er verwendet ebenfalls die Dragline-Seide, denn sie ist „die beste Kombination aus allem, der Zehnkämpfer unter den Seiden“. Bei einem Herzinfarkt können Herzmuskelzellen absterben und sich nicht mehr regenerieren. Zudem entsteht überall dort, wo Herzmuskelgewebe geschädigt ist, eine Narbe. Da ein Muskel mit Narbe nicht mehr so belastungs- und funktionsfähig ist, kam Scheibel auf die Idee, Narbengewebe rauszunehmen und dieses durch neues Herzmuskelgewebe zu ersetzen.

Melken der Spinnen hat seine Grenzen

Klingt theoretisch einfach, ist praktisch aber nicht ganz so trivial. Denn das eingesetzte Material muss sich entsprechend formen lassen, vom Körper angenommen werden, biologisch abbaubar sein und enorme Kräfte aufnehmen können, wenn der Herzmuskel schlägt. Und genau das lässt sich mit Spinnenseide erreichen. Scheibel und sein Team erwarten, dass sich die Seide über die Zeit abbaut und sich wieder ein natürlicher Herzmuskel ausbildet: Der Herzmuskel wäre regeneriert und der Defekt nicht mehr zu sehen.

Spinnenseide im Einsatz

Die außergewöhnlichen Eigenschaften der Spinnenseide finden in verschiedenen Bereichen Anwendung.

Medizin: Knochen- und Knorpelersatz, Wundauflagen, künstlicher Hautersatz, chirurgisches Nahtmaterial, Beschichtung von Implantaten, Herzmuskelgewebe, Nervenregeneration

Kosmetik: (Feuchtigkeits-)Cremes, Nagellack, Shampoo, Liftingserum, Narbengel

In Textilien: Schuhe, Jacken, Uhrenarmbänder, als Unterstützung in kugelsicheren Westen

Allerdings hat das Melken der Spinnen Grenzen. „Heute gibt es grob 49 000 Spinnenarten, die man kennt“, sagt Scheibel. Doch davon lebten nur 1960 Arten sozial, der Rest sei kannibalisch. Man kann die Spinnen also nicht gemeinsam in einem Terrarium halten, sondern müsste sie in der Züchtung schnell separieren. Zudem regulieren die Spinnen ihre Seidenproduktion: „Wenn es keine Notwendigkeit gibt, ein mechanisch anspruchsvolles Netz zu bauen, dann machen sie es auch nicht“, so Scheibel. Die Seide von Spinnen aus Gefangenschaft ist daher mechanisch nicht so stabil wie die Seide derselben Art aus freier Wildbahn. Das heißt: Beim Melken erhält man weniger hochwertige Seide.

Spinnenseide soll im Labor hergestellt werden

Forschende arbeiten deshalb schon seit mehreren Jahren an einer Möglichkeit, Spinnenseide künstlich im Labor herzustellen. Scheibel und seinem Team ist das als einem der ersten gelungen. Der Ansatz: die Seidenproteingene der Spinne in andere Organismen einsetzen. Diese Organismen, unter ihnen Bakterien, Hefen oder Pilze, sind in der Lage, Spinnenseidenproteine zu produzieren.

Der Blick auf die Proteine zeigt: In allen Spinnenseiden befinden sich vorne und hinten Domänen, die wie Schalter funktionieren. Doch erst durch einen Laborunfall sind die Forschenden hinter die Funktionsweise der Schalter gekommen. In einer Probe hatten sich zwei Schichten gebildet: eine Wasserschicht und eine ölige, in der sich alle Moleküle befanden.

Biotechnologie und Bakterien sollen bei der künstlichen Produktion von Spinnenseide helfen

Um einen künstlichen Seidenfaden zu bilden, ist aber noch ein mechanischer Zug nötig. Aus der Wasserschicht erhält man lediglich schlechtes Nylon, aus der öligen hingegen eine Faser mit besonderen Eigenschaften. Die Moleküle bringen sich also selbst in die richtige Position. „Das ist genau das, was in der Spinne passiert. Die speichert ihre Proteine in der Drüse, ready to go, denn wenn sie sich abseilt, dann braucht sie die direkt“, so Scheibel.

Kein Scherz: Forscherin Anna Bartz beim Spinnenmelken.

Mit Hilfe von Biotechnologie und Bakterien konnte Scheibel molekulares Lego spielen: „Innerhalb kürzester Zeit gelang es, die ersten rekombinanten Spinnenseidenproteine in großem Maßstab zu produzieren“, so Scheibel. Also Proteine, die künstlich mit Hilfe von gentechnisch veränderten Organismen – in diesem Fall Bakterien – hergestellt werden. Dadurch könne man so viel Seide produzieren, wie man möchte. Ein entscheidender Vorteil gegenüber der natürlichen Spinnenseide, denn: „70 Meter Seidenfaden wiegen ein Milligramm. Um eine Tonne zu produzieren, wäre die Spinne lange unterwegs“, sagt Scheibel. Genauer gesagt, müsste sie dafür 70 Millionen Kilometer zurücklegen, also fast 1750-mal die Erde umlaufen.

Künstliche Spinnenseide als Beschichtung

Mit der künstlich hergestellten Spinnenseide werden auch Implantate beschichtet. Da das Immunsystem zwischen eigenen und fremden Stoffen unterscheiden kann, toleriert der Organismus nicht immer den Einsatz von Fremdmaterialien. Bei Silikonbrustimplantationen passiert das laut Scheibel etwa bei jeder vierten Patientin. Um also Entzündungen, Schmerzen und die Gefahr einer Sepsis zu vermeiden, braucht es eine Beschichtung, die der Körper besser aufnimmt. Bei einem mit künstlicher Spinnenseide beschichteten Silikonbrustimplantat bekamen Scheibel und sein Team immer dasselbe Ergebnis: „Sobald das Implantat unter einer Seidenhülle versteckt war, war’s gut. Der Körper hat’s nicht erkannt, es gab also keine Immunantwort“, erzählt Scheibel. Das Implantat wird für den Körper unsichtbar. Und das hilft nicht nur Patientinnen, sondern auch Patienten, denn Silikonimplantate werden beispielsweise auch nach Tumor-bedingten Gewebeoperationen im Körper als Füllmaterial verwendet.

Auf Miniwebrahmen werden unzählige Fäden gespannt – darauf wachsen Stammzellen heran.

Spinnenseide vereint Eigenschaften, die in keinem anderen Material kombiniert werden können: extrem leicht, elastisch, reißfest, antibakteriell, wundheilungsfördernd, steril und biologisch abbaubar. Neben der Medizin profitieren weitere Bereiche wie die Kosmetikindustrie davon: Seidenglanz fürs Haar, Feuchtigkeit für die Haut oder präventiver Schutz vor Nagelpilz sind nur ein paar Beispiele für andere Anwendungsgebiete. Zudem könne die Spinnenseide die Kunststoffbestandteile vieler Produkte ersetzen, die normalerweise durch den Abfluss ins Wasser gelangten, sagt Scheibel. „Kosmetik ist so frei von Mikroplastik.“

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Allerdings könnten Produkte teurer werden, weil sie nachhaltig hergestellt würden und weil mehr Technologie und Know-how dahinterstecke. Der Biochemiker betont aber: „Wir müssen uns alle Gedanken machen, wenn wir nachhaltig wirtschaften wollen: Dann ist vielleicht nicht immer das Billigste das Beste.“

Für den Schwerpunkt Bioökonomie kooperiert die FR mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS). Die Artikel haben Studierende verfasst. Das Projekt von FHWS und der Universität Würzburg wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

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