Spider Silk Laboratory

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Spinnenseide, bekannt für ihre besonderen mechanischen Eigenschaften wie extreme Dehnbarkeit und Reißfestigkeit, bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich. Das Spider Silk Laboratory hat sich in den letzten Jahren intensiv mit dem Einsatz von Spinnenseide im Bereich der regenerativen Medizin beschäftigt. In verschiedenen Modellen wurde eine gute Bioverträglichkeit beobachtet. Das Material ist darüber hinaus vollständig  im Körper abbaubar und bietet sich als Biomatrix (Struktur zur Besiedlung mit Körperzellen) an. Zahlreiche Anwendungstechniken und Medizinprodukte wurden und werden entwickelt. So wurde die Seide bereits erfolgreich zur Rekonstruktion peripherer Nervendefekte eingesetzt. Dabei fungiert ein Interponat aus Spinnenseide als Leitschiene und Platzhalter für die regenerierenden Nervenfasern. Auch die Gewebezucht (u.a. Haut, Knorpel und Sehnen) auf Spinnenseide wurde erfolgreich durchgeführt. Die verwendete Spinnenseide wird von Radnetzspinnen (Nephila edulis) aus eigener Zucht hergestellt. Das Gewinnen der Seide ist für die Tiere schmerzfrei und schadet ihnen nicht.


wenige Wochen alte Spiderlinge
wenige Wochen alte Spiderlinge
adulte Nephila edulis in freier Laborhaltung

Regeneration peripherer Nerven mit Spinnenseide

Nerven des peripheren Systems können unter bestimmten Voraussetzungen regenerieren. Langstreckige Defekte stellen jedoch eine große Herausforderung dar. Die Implantation eines körpereigenen Spendernerven gibt dem nachwachsenden verletzten Nerven eine Orientierungshilfe. Diese Methode zieht jedoch einen weiteren Defekt an der Entnahmestelle nach sich. Die Folgen können von Taubheitsgefühl bis hin zu motorischen Ausfällen reichen. Auch die Bildung von Neuromen im Defektbereich ist ein bekanntes Problem. In Tierstudien konnte gezeigt werden, dass ein Interponat aus Spinnenseide zu einem Wiedererlangen von Motorik und Sensorik führt. Die Seide ermöglicht ein gerichtetes Neuauswachsen der Axone im Defektbereich, die Einwanderung von Schwann-Zellen ermöglicht zudem die Remyelinisierung. In der histologischen Auswertung konnte eine komplette axonale Regeneration über die gesamte Defektstrecke von 6 cm im Schafmodell nachgewiesen werden. Die Remyelinisierung führte zu einer messbaren Verbesserung der Nervenleitgeschwindigkeit. Zu entzündlichen Reaktionen oder Abstoßungen kam es nicht. Der Einsatz von Spinnenseide stellt damit eine Alternative zur Transplantation autologen (körpereigenen) Nervengewebes dar und wurde patentiert. Informationen zum bestehenden Patent sind auf der Website der Ascenion GmbH abrufbar: https://www.ascenion.de/en/technology-offers/biocompatible-nerve-guidance-conduit-for-neuroregeneration-6087

Nahtmaterial

Unter Verwendung einer eigens für diesen Zweck konstruierten Miniatur-Reepschlägerei kann Spinnenseide zu winzigen Seilen geschlagen werden, die als mikro-chirurgisches Nahtmaterial eingesetzt werden können. In Studien, die die Morphologie (Beschaffenheit) und die Biomechanik der geschlagenen Fäden untersuchten, konnte gezeigt werden, dass das Nahtmaterial aus Spinnenseide 2 ½-mal reißfester als Nylon - momentan Goldstandard in der peripheren Nervenchirurgie - ist und ein deutlich günstigeres Elastizitätsverhalten zeigt.

Tissue Engineering und Wundbehandlung

Artifizelle Haut mit Spinnenseidematrix: Abb. a HE-Färbung, Abb. b elektronenmikroskopische Aufnahme
Artifizelle Haut mit Spinnenseidematrix: Abb. a HE-Färbung, Abb. b elektronenmikroskopische Aufnahme

Die Wahl der richtigen Matrix (Struktur zur Besiedlung mit Zellen) ist ein entscheidender Faktor erfolgreichen Tissue Engineerings (Gewebezucht im Labor). Einerseits sollte die Matrix biodegradierbar (im Körper abbaubar) sein, andererseits sollte eine gewisse mechanische Belastbarkeit des Materials gegeben sein. Spinnenseide bietet beides. Darüber hinaus zeigt sich auf der Seide eine gute Zelladhäsion (Anwachsen von Zellen). Gleichzeitig kann die Seide als Leitstruktur für ein gerichtetes Wachstum der Zellen fungieren.

Durch verschiedene Verarbeitungstechniken wie das „Crosslinken“ einzelner winziger Spinnenseidefäden oder das Verweben der Fäden können für unterschiedliche Applikationen individuell geformte Matrices hergestellt werden. Diese eignen sich nicht nur für das Tissue Engineering, wie z.B. für die Zucht artifizieller Haut oder elastischen Knorpels, sondern auch zur Herstellung von Material zur Wundbehandlung.


Ehrungen und Auszeichnungen

Robert Bosch Preis Schule trifft Wissenschaft mit dem Projekt Schule und Forschung – Spinnenseide in der Medizin (Bionik) 2012– 2. Platz

Sonderpreis der Initiative Hochschul-Impuls zur Identifikation und Umsetzung zukunftsfähiger Ideen aus den Hochschulen der Region Hannover 2007 für das Projekt „Tissue engineering mit Spinnenseide zur Rekonstruktion peripherer Nerven".

Innovationspreis Deutsche Hochschulmedizin 2007 mit dem Projekt „Tissue engineering biokompatibler Nervenimplantate mit Spinnenseide als Trägermaterial und Venolen als Hüllmaterial zur Rekonstruktion peripherer Nerven beim Menschen“

 

Publikationen unserer Arbeitsgruppen

Liebsch C, Fliess M, Kuhbier JW, Vogt PM, Strauss S (2020). Nephila edulis - breeding and care under laboratory conditions. Dev Genes Evol 230(2):203-211.

Dastagir K, Dastagir N, Limbourg A, Reimers K, Strauß S, Vogt PM (2020). In vitro construction of artificial blood vessels using spider silk as a supporting matrix. J Mech Behav Biomed Mater 101, 103436.

Liebsch C, Bucan V, Menger B, Köhne F, Waldmann KH, Vaslaitis D, Vogt PM, Strauss S, Kuhbier JW (2018). Preliminary investigations of spider silk in wounds in vivo - Implications for an innovative wound dressing. Burns 44(7):1829-1838.

Kuhbier JW, Coger V, Mueller J, Liebsch C, Schlottmann F, Bucan V, Vogt PM, Strauss S (2017). Influence of direct or indirect contact for the cytotoxicity and blood compatibility of spider silk. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 28(8), 127.

Steins A, Dik P, Müller WH, Vervoort SJ, Reimers K, Kuhbier JW, Vogt PM, van Apeldoorn AA, Coffer PJ, Schepers, K (2015). In vitro evaluation of spider silk meshes as a potential biomaterial for bladder reconstruction. PloS one, 10(12), e0145240.

Schäfer-Nolte F, Hennecke K, Reimers K, Schnabel R, Allmeling C, Vogt PM, Kuhbier JW, Mirastschijski U (2014). Biomechanics and biocompatibility of woven spider silk meshes during remodeling in a rodent fascia replacement Model. Annals of surgery 259(4), 781-792.

Roloff F, Strauß S, Vogt PM, Bicker G, Radtke C (2014). Spider Silk as Guiding Biomaterial for Human Model Neurons. BioMed Research International doi: 10.1155/2014/906819.

Strauß S, Reimers K, Allmeling C, Kuhbier JW, Radtke C, Schäfer-Nolte F, Wendt H, Vogt PM (2013). Spider Silk - A Versatile Biomaterial for Tissue Engineering and Medical Applications. Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik.

Hennecke K, Redeker J, Kuhbier JW, Strauss S, Allmeling C, Kasper C, Reimers K, Vogt PM (2013). Bundles of Spider Silk, Braided Into Sutures, Resist Basic Cyclic Tests: Potential Use for Flexor Tendon Repair. PloS One 8(4), e61100.

Radtke C, Allmeling C, Waldmann KH, Reimers K, Thies K Schenk HC, Hillmer A, Guggenheim M, Brandes G, Vogt PM (2011). Spider Silk Constructs Enhance Axonal Regeneration and Remyelination in Long Nerve Defects in Sheep. PLoS One 25;6(2):e16990.

Kuhbier JW, Reimers K, Kasper C, Allmeling C, Hillmer A, Menger B, Vogt PM, Radtke C (2011). First Investigation of Spider Silk as a Braided Microsurgical Suture. J Biomed Mat Res Part B 97(2):381-7.

Wendt H, Hillmer A, Reimers K, Kuhbier JW, Schäfer-Nolte F, Allmeling C, Kasper C, Vogt PM (2011). Artificial Skin--Culturing of Different Skin Cell Lines for Generating an Artificial Skin Substitute on Cross-Weaved Spider Silk Fibres. PLoS ONE 6(7): e21833.

Kuhbier JW, Allmeling C, Reimers K, Hillmer A, Kasper C, Menger B, Brandes G, Guggenheim M, Vogt PM (2010). Interactions Between Spider Silk and cells--NIH/3T3 Fibroblasts Seeded on Miniature Weaving Frames. PLoS One 5(8):e12032.

Allmeling C, Jokuszies A, Reimers K, Kall S, Choi CY, Brandes G, Kasper C, Scheper T, Guggenheim M, Vogt PM (2008). Spider Silk Fibres in Artificial Nerve Constructs Promote Peripheral Nerve Regeneration. Cell Prolif  41(3):408-20.

Allmeling C, Jokuszies A, Reimers K, Kall S, Vogt PM (2006). Use of Spider Silk Fibres as an Innovative Material in a Biocompatible Artificial Nerve Conduit. Cell Mol Med 10(3): 770-777.

 

Ansprechpartner

Laborleitung

Dr. rer. nar. Sarah Strauß

Tel.: 0511 532 - 8863

Strauss.Sarah(at)mh-hannover.de

 

 

Leitung Haltung und Zucht

Christina Liebsch

Tel.: 0511 532 – 8863

Liebsch.Christina(at)mh-hannover.de