Ihren schlechten Ruf haben Spinnen nicht verdient: Mit ihren Seidenfäden können Ärzte die Nerven von Unfallopfern rekonstruieren und künstliche Haut herstellen.
athalie muss heute zur Ernte. Seit geraumer Zeit schon ist ihr Einsatz Woche für Woche gefragt. Sie bleibt ganz ruhig, als sich ihr eine Hand nähert und vorsichtig nach ihr greift.
Nathalie ist eine ausgewachsene Seidenspinne, die in ihrem opulenten Gespinst sitzt. Gerade einmal zwei Gramm schwer, misst sie von Bein zu Bein knapp neun Zentimeter – und ist damit etwa so groß wie mein Handteller. Für den an heimische Spinnen gewöhnten Blick ist sie eine imposante Erscheinung.
Nathalie ist ein Nutztier. Allerdings lebt sie nicht auf einem Hof, sondern in einem schlichten Zimmer des Forschungstrakts der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH). Dort hat die bald Zweijährige Gesellschaft von gut 30 Artgenossinnen, die die Forscher alle mit Namen versehen haben. In dem etwa 20 Quadratmeter großen Raum hängen Zweige von der Decke und in den Zimmerfluchten, die kleine, voneinander abgegrenzte Areale bilden. Schließlich sind Spinnen Kannibalen, und dass die Tiere einander verspeisen, das möchte man hier nicht. Sie werden alle noch gebraucht.
Die geübte Hand von Vincent Coger, die Nathalie inzwischen erfasst hat, will an ihr Kostbarstes: ihre Seide. „Nathalie macht gut mit”, sagt der Biologe. Er ist Postdoktorand im Team von Christine Radtke. Die Ärztin hat mit den Spinnen etwas vor, das keine Spinnerei ist: Sie nutzt die Fäden zur Nervenregeneration.
Reißfester als Stahl
Spinnenseide ist ein erstaunliches Material: fünf Mal so reißfest wie Stahl und drei Mal so stabil wie die besten synthetischen Fasern, dabei extrem elastisch. Schließlich muss ein Netz einiges aushalten, etwa den wuchtigen Aufprall eines Käfers, der in voller Fluggeschwindigkeit hineingerät. Auf die Größe und Körperverhältnisse eines Menschen übertragen spinnt eine Spinne Fäden, die einen Jumbojet im Landeanflug abfangen könnten, sagt der Zoologe Fritz Vollrath von der University of Oxford. Er erforscht die Achtbeiner seit Jahrzehnten.
Spinnenseide hat jedoch noch weit mehr Qualitäten. Sie ist selbst bei 250 Grad Celsius stabil, außerdem wasserfest und kann trotzdem gut Wasser aufnehmen, sie widersteht mikrobiologischen Angriffen und ist doch biologisch abbaubar – und für den Menschen so verträglich, dass die körpereigene Abwehr sie nicht als fremd erkennt und die Immunantwort nicht zuschlägt. Im Gegenteil: Die Seidenfäden gelten als wundheilungsfördernd, da sie bakteriostatisch wirken. „Die Kombination aus Biokompatibilität, hoher Temperaturresistenz bei zugleich enormer Elastizität und Festigkeit macht Spinnenseide als Werkstoff einzigartig”, betont Christine Radtke.
Leitschiene aus Spinnenfäden
Seit über zehn Jahren forscht die Leitende Oberärztin mit ihrem gut 20-köpfigen Team an der Klinik und Poliklinik für Plastische, Hand- und Wiederherstellungs- chirurgie der MHH daran, das Naturprodukt therapeutisch zu nutzen. Die Forscher waren auf der Suche nach einem Trägermaterial, auf dem Nervenzellen entlangwachsen können, berichtet Radtke. Das Ziel war die Regeneration von Nervenbahnen. „Eigentlich brauchten wir etwas, das die ganzen Vorteile von Spinnenseide vereint”, habe Radtkes Kollegin Christina Liebsch in einem Brainstorming gesagt. So fing alles an.
Auch wenn bei der Rekonstruktion von Nerven in den vergangenen Jahren Fortschritte gemacht wurden – der Ersatz von Nervenbahnen ist nach wie vor schwierig. Bei Unfallopfern werden oft die eigenen Nerven verpflanzt. Doch die Enden verwachsen gelegentlich nur schlecht miteinander. Auch können Störungen an jener Stelle auftreten, wo der Nerv entnommen wurde. Im peripheren Nervensystem können sich Neurone zwar von allein regenerieren, sie wachsen aber nur über kurze Entfernung zielgerichtet.
„Verletzte Nerven sprießen in alle Richtungen wie Wurzeln aus einem Stumpf”, skizziert Christine Radtke den Vorgang. Selbst unter optimalen Bedingungen brauchen sie einen Tag für eine Strecke von einem Millimeter. „Doch wenn sich die verletzten Nervenenden nicht schnell genug finden, degenerieren sie.” Genau hier kommt die Spinnenseide ins Spiel: „Wir benutzen sie als Leitschiene: Mit ihr geben wir die Wachstumsrichtung vor”, sagt die Wissenschaftlerin. Radtke und Klinikchef Peter Vogt hoffen auf eine bessere Versorgung von Patienten, deren Nerven an Händen, Armen, Beinen oder – klassisch bei Motorradunfällen – an der Schulter durchtrennt wurden.
Das Prinzip klingt ebenso einfach wie genial. Zunächst werden die Zellbestandteile einer Tiervene herausgelöst. Meist handelt es sich dabei um das Gefäß eines Schweins. Übrig bleibt ein Kollagengerüst, das die Funktion eines Rohrs hat. Durch diese Venen-Pipeline werden mehrere Hundert Spinnenfäden gezogen und dann gleichsam als Leitschiene implantiert. „Daran entlang wachsen die Nervenzellen von der Verletzungsstelle in Richtung des Zielorts”, erklärt Radtke. Die Seide mit ihrer leicht klebrigen Oberfläche biete eine gute Haftung, unterstütze die Zellbewegung und fördere die Zellteilung.
Schafe konnten wieder laufen
Erprobt hat Christine Radtke die Technik bereits an Ratten, Schafen und Grünen Meerkatzen, einer Affenart. „Ich habe inzwischen mehrere Dutzend Schafe operiert, ihnen ein längeres Stück vom Unterschenkelnerv entnommen und unser Konstrukt aus Vene mit Spinnenseide eingesetzt”, führt die Chirurgin aus. Acht, neun Monate nach dem Eingriff ließ sich das Gewebewachstum deutlich nachweisen. „Die motorischen Tests waren positiv, die Schafe konnten fast wieder normal laufen!” Solch eine Distanz durch einen künstlichen Nervenersatz zu überbrücken – das habe bislang noch niemand geschafft.
Aus diesem Grund müssen Nathalie, Solveig, Nelli, Britta, Luna und ihre achtbeinigen Artgenossinnen (nur weibliche Spinnen liefern brauchbare Seide) mindestens einmal wöchentlich zur Ernte. Zwar könnte jede von ihnen täglich liefern, doch „wir wollen die Tiere schonen”, sagt Vincent Coger. „Sie müssten sonst übermäßig nachproduzieren.” 50 bis 100 Meter Seidenfaden ergibt ein Erntegang, bei anderen Spinnenarten ist sogar mehr möglich – bis zu einem Kilometer am Stück.
Nathalie wird gerade vorsichtig – rücklings auf einer Styroporplatte liegend – zwischen Schaumstoffkissen und Gazeband gebettet. Mit einer Pinzette nimmt Coger den Faden am Hinterleib auf und spannt ihn auf eine Spule. Eine mit Elektromotor betriebene Kurbel dreht die Seide auf, die der Spinne dadurch kontinuierlich mit sanftem Zug aus der Drüse gezogen wird. Nathalie produziert eifrig nach.
Die Regeneration ganzer Nerven ist das wohl spektakulärste Einsatzgebiet von Spinnenseide. Doch es gibt weitere Anwendungsfelder. Das MHH-Team, zu dem Kerstin Reimers-Fadhlaoui gehört, arbeitet an der Herstellung künstlicher Haut. Sie wird zur Versorgung chronischer Wunden und Brandverletzungen benötigt.
Toller Träger für Gewebezucht
Dazu kultivieren die Forscher auf der Seide zunächst Bindegewebszellen. Es entsteht ein Zellrasen, auf den sie Epithelzellen aufbringen – jene Zellen, die unsere Körperoberfläche bedecken. Schaut man zwei Wochen später nach, so haben sich regelrechte Stapel von Zellschichten gebildet. Außerdem kommt die Seide als chirurgisches Nahtmaterial und in Form von Wundauflagen zum Einsatz. „Spinnenseide ist eine exzellente Matrix für verschiedene Arten der künstlichen Geweberekonstruktion und der Gewebezüchtung”, erklärt Radtke.
In Bayreuth hat Thomas Scheibel ganz andere Anwendungsmöglichkeiten im Blick. Der Experte für Biomaterialien arbeitet mit künstlicher Spinnenseide. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem wir das Material in gleicher Qualität und in beliebiger Menge herstellen können”, sagt er. Dazu musste Scheibel erst einmal eine Schlüsselfrage beantworten: Wie schafft es eine Spinne, das Rohmaterial – einen flüssigen Proteincocktail – in der Spinndrüse bereitzuhalten und bei Bedarf in Sekundenschnelle einen reißfesten und hochelastischen Faden daraus zu ziehen?
Die Seidenfäden, fanden die Forscher heraus, bestehen aus Tausenden vernetzten Eiweißbausteinen, die aus sich ständig wiederholenden Aminosäurekomplexen aufgebaut sind. Stabile physikalische Bindungen verleihen den Fasern ihre Festigkeit. Dazwischen befinden sich unvernetzte, wasserspeichernde Bereiche, die für die hohe Elastizität verantwortlich sind.
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Jede Spinne produziert verschiedene Fäden, die sich auf molekularer Ebene unterscheiden. Je nach Art sind das bis zu sieben Fadentypen und ein „Klebstoff”. Dafür hat die Spinne verschiedene Drüsen am Hinterleib. Entscheidend ist der Einsatzzweck (siehe Grafik auf S. 13).
Für Materialforscher wie Mediziner ist das eine echte Fundgrube. Nach zahlreichen Tests entschieden sich Christine Radtke und ihr Team seinerzeit dafür, den sogenannten Startfaden für den Bau des Spinnennetzes für ihre Zwecke zu nutzen. Das Vorbild der künstlichen Produkte von Thomas Scheibel und Kollegen hingegen ist der Sicherungsfaden, mit dem die Spinne ihr Netz stabilisiert, sowie das Seidenmaterial der Fangspirale.
Damit sich die Proteine überhaupt zu einem stabilen Faden verbinden, müssen Chemie und Physik stimmen. Der entscheidende Moment ist, wenn die Spinne den Faden mit ihren Beinen aus der Drüse zieht und dabei für einen Sog im Spinnkanal sorgt. Die zufällige Struktur der bis dato in wässriger Umgebung gelösten Eiweißketten ordnet sich, indem Zellen des Spinnkanals der Proteinlösung Kaliumphosphat und Säure zufügen. Gleichzeitig wird Wasser entzogen. Während sich die Eiweißmoleküle in der Spinndrüse strecken, formen sich sogenannte Beta-Faltblattstrukturen. Darin sind benachbarte Moleküle durch die Wechselwirkungen vieler schwacher Bindungen in der Summe extrem stark verbunden. Tausende längs nebeneinander liegende Molekülketten bilden schließlich einen Faden. Seine Stabilität erhält er jedoch erst, wenn sich bestimmte Aminosäurekomplexe dieser Molekülketten quer vernetzen und dabei kristallähnliche Strukturen bilden.
So produziert die Spinne in kürzester Zeit aus einer Flüssigkeit eine feste Faser – in einem Prozess, bei dem physikalische und chemische Abläufe perfekt aufeinander abgestimmt sind. Forscher sehen darin eine brillante Vorlage der Natur, neue Materialien mit überraschenden Eigenschaften herzustellen.
Genau darum geht es dem in München ansässigen Biotech-Unternehmen AMSilk. „Uns ist es gelungen, aus biotechnologisch erzeugten Proteinen Seidenfasern mit naturidentischen mechanischen Eigenschaften herzustellen”, sagt Biochemiker und Geschäftsführer Axel Leimer. Die künstliche Spinnenseide mit dem geschützten Namen „Biosteel” geht vor allem auf die Forschungsarbeiten von Unternehmensmitbegründer Thomas Scheibel zurück. „Für eine Produktion im größeren Maßstab braucht man Kontinuität im Material”, sagt Scheibel und sieht hier einen Vorteil gegenüber natürlicher Spinnenseide. „Die verändert sich je nach den Umgebungsbedingungen und Nahrungsgewohnheiten des Tiers.”
Um die Spinnenseide nachzubauen, veränderten die Forscher das Genom des Einzellers Escherichia coli. Sie schleusten in das Bakterium das Gen der europäischen Gartenkreuzspinne ein, das den Bauplan für das Seidenprotein enthält. Derart manipuliert, produzieren die Mikroorganismen nun die gewünschten Proteine. Die Vorteile: Escherichia coli vermehrt sich schnell und lässt sich in großen Fermentern halten. Das Verfahren ist mit der industriellen Herstellung von Insulin vergleichbar.
Doch wie kommt man an das Genprodukt heran? Da die Bakterien es nicht einfach ausscheiden, werden sie zerstört, und das Protein wird von den Zellresten abgetrennt. Damit hat man das Rohmaterial. Wie das Produkt genau gefertigt wird, darüber schweigt sich das Unternehmen verständlicherweise aus. Auf dem ganzen Verfahren liegen inzwischen immerhin etwa 90 bis 100 nationale und internationale Patentanmeldungen zu 16 patentierten Erfindungen.
Mit Spinnenseide veredelte Implantate
AMSilk will jetzt die ersten Produkte auf den Markt bringen. Das Verfahren sei bereits so ausgereift, dass die verschiedenen Eigenschaften künstlicher Spinnenseide im Industriemaßstab den gewünschten Zwecken angepasst werden können. „Für die eine Anwendung kommt es mehr auf Reißfestigkeit an, für die andere mehr auf Elastizität”, sagt Scheibel und verweist darauf, dass man inzwischen rund 40 verschiedene Spinnenseiden hergestellt habe. „Mit Blick auf ihre spezifische Nutzung ist jede dieser Seiden optimiert.”
Die größten Chancen sieht er für Produkte, die bereits am Markt eingeführt sind und sich „mit Spinnenseidenproteinen veredeln lassen”. Erste Erfahrungen gibt es mit Brustimplantaten. Tests an Ratten haben gezeigt, dass mit Spinnenseide beschichtete Silikoneinsätze weniger immunogen sind als solche aus bloßem Silikon. AMSilk ließ den Nagern beschichtete und unbeschichtete miniaturisierte Implantate einpflanzen – allerdings nicht in die Brust, sondern in den Rücken.
Nach drei, sechs und zwölf Monaten werteten die Wissenschaftler das Ergebnis aus. Es zeigte sich, dass Entzündungsreaktionen bei Ratten mit umkleideten Implantaten auch nach über einem Jahr, wenn der Körper die Seide bereits weitgehend abgebaut hatte, deutlich seltener waren als bei der Vergleichsgruppe mit unbeschichtetem Implantat. Das lässt aufhorchen, schließlich verträgt nicht jede Frau das künstliche Material. Laut Scheibel ist jetzt der nächste Schritt, dass klinische Studien gemacht werden.
Ein weiteres Einsatzfeld sind mit dem Naturmaterial umschichtete Prothesen. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass sie besser mit Knochen oder Körperteilen verwachsen, weil die Seidenproteine das interzelluläre Wachstum anregen und die Abwehrreaktionen des Körpers minimieren. Das Unternehmen Orthox in Cambridge hat bereits einen künstlichen Meniskus aus aufgeschäumter Seide entwickelt. Er soll nicht nur einen beschädigten Knorpel im Kniegelenk ersetzen, sondern auch Reparaturprozesse im körpereigenen Gewebe anregen. Weltweit hoffen Forscher, dass die neue Spinnenseide nach und nach in zahlreichen medizinischen und pharmazeutischen Produkten, Kosmetika, Verbundwerkstoffen und technischen Textilien eingesetzt wird.
Und das Kunstprodukt soll auch bei der Entwicklung von Hochleistungsmaterialien eine Rolle spielen: Extrem reißfeste, nicht brennbare Stoffe und ultraleichte, kugelsichere Westen sind im Gespräch. Überall kann das Material seine Vorteile aus extremer Härte, Dehnbarkeit und Elastizität ausspielen – vom Fallschirm bis zur militärischen Schutzkleidung. Die Liste an Einsatzmöglichkeiten wird immer länger. Spezielle Beschichtungen etwa, Schäume und Gele, Vliesstoffe, Fasern und Garne, optische Instrumente und Sportartikel. Was noch fehlt, sind Partner aus der Industrie.
Bakterien bilden das Rohmaterial
Seit 2013 produziert Escherichia coli die künstliche Seide in größeren Mengen: Die in der Pilotanlage schwimmenden Bakterien stellen das Rohmaterial in 100-Kilogramm-Chargen her. Um das als Rohstoff noch weiße Pulver in einen Faden zu verwandeln, stellen die Forscher eine Lösung her, die sich in einem technischen Verfahren zu einem endlosen Filament verspinnen lässt. Auf Spulen aufgewickelt, harren die künstlichen Seidenfäden dann ihrer weiteren Verarbeitung. „Die Produktion kommerziell verwendbarer Seidenfasern war eine enorme technische Herausforderung”, erklärt Lin Römer, Forschungsleiter von AMSilk. Der Clou sei, ergänzt Scheibel, „dass die Spinnenseide nicht perfekt nachgebaut wird, sondern dass jeder Faden in seiner individuellen Zusammensetzung optimal ist für den vorgesehenen Zweck”.
In Hannover sind Vincent Coger und Christine Radtke nach einer Versuchsstrecke gerade mit der Fütterung beschäftigt: Sie werfen jeder Spinne ein Heimchen ins Netz. Auch der Brutraum will versorgt sein. Ganz kleine und etwas größere Achtbeiner sind hier unterwegs. Zu guter Letzt erhalten auch die Männchen ihr „täglich Brot” – für die Nachzucht braucht man schließlich doch einige von ihnen.
„Wir stehen kurz vor der Erprobung unseres Systems am Menschen” , sagt die 37-jährige Radtke, die schon mit reichlich Preisen für ihre Forschungsarbeit ausgezeichnet wurde und zugleich anerkannte Operateurin ist. Es gebe grünes Licht, einzig die Finanzierung der ersten klinischen Studie sei noch nicht gesichert.
Sie hofft, irgendwann jede Entfernung im Körper mithilfe von Spinnenseide überbrücken zu können. „Ich habe gerade den abgetrennten Arm eines Patienten angenäht. Da das Nervengewebe größtenteils noch vorhanden war und wir die Nervenenden spannungsfrei zusammenfügen konnten, werden wohl Funktionen zurückkehren”, sagt sie. „Aber ich habe immer wieder Fälle, bei denen ich nur bedingt oder gar nicht helfen kann – etwa wenn nach einem Unfall oder einer Tumoroperation großflächig Gewebe fehlt. Solchen Patienten muss ich sagen: Ich habe nichts mehr in der Hinterhand.”
Sie dreht sich zur Seite, nimmt das Zuchtbuch ihrer krabbelnden Tierwirtschaft und die Laborkladde zur Hand – und man ahnt: Da muss bald wieder jemand zur Ernte, für die Wissenschaft und für die Patienten. Währenddessen vollführt in der leichten Schwüle des Raums Arachne im Netz neben mir fast unmerklich eine halbe Drehung ihres Körpers, schlägt ein paar Mal schwungvoll die Beine ins Netz, das unmittelbar anfängt zu schwingen – und entschwindet dann mit trippelnden Schritten in den Weiten ihrer filigranen Behausung. •
CHRISTIAN JUNG (links) ist Biologe und freier Wissenschaftsjournalist. Für seine Beiträge in bild der wissenschaft wurde er mehrfach ausgezeichnet. Solvin Zankl ist Meeresbiologe und Naturfotograf. Für GEO, National Geographic und stern war er schon in vielen Ländern unterwegs.
Text von Christian Jung, Fotos von Solvin Zankl
