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Medizinische Muschelproteine

 

Dankbarkeit gegenüber Muscheln

In der Natur ist Kleben die dominierende Fügetechnik. Die Bioadhäsion von Molekülen bildet die Basis bei der Entstehung aller Lebewesen. Es führt weiter bis zu makroskopischen Klebstoffen tierischen Ursprungs, die in ihrer Funktion und Form unseren Klebverbindungen ähneln. Die Medizintechnik will solche Verbindungen nachahmen.

Klebstoffe sind empfindlich gegenüber Wasser. In der Natur ist die Anwesenheit von Wasser in lebenden Systemen der Normalfall und die Probleme sind seit Jahrmillionen gelöst. Die zugrundeligenden Mechanismen zeigt das Beispiel der Miesmuschel Mytilus edulis, deren Klebstoff gut erforscht ist. Daraus lassen sich Erkenntnisse für neue medizinisch-biomimetische, also die Natur nachahmende Klebstoffe gewinnen. Gängige Techniken zur Fixierung von Weichgeweben in der Medizin sind Klammern und Nähen. Bei der cardiovaskularen Chirurgie und bei Eingriffen an Organen ist Kleben die bessere Technik.

Es gibt derzeit drei chemische Klassen medizinischer Klebstoffe: Cyanacrylate, Fibrin- und Gelatine-basierende Formulierungen. Cyanacrylat-basierende Klebstoffe bestehen aus Octyl- oder Butyl-2-cyanoacrylat. Ersteres bildet stabilere, biegsamere Klebverbindungen und verschließt Hauteinschnitte, oberflächliche Fleischwunden und Kopfhautwunden. Nachteilig wirken die Abbauprodukte, hauptsächlich Formaldehyd und Alkylcyanate, die Entzündungsreaktionen und Heilungsstörungen hervorrufen können. Das Protein Fibrin in Fibrin-basierenden Klebstoffen entsteht in der Blutgerinnungskaskade aus Fibrinogen und Thrombin. (…) Fibrinbasierende Klebstoffe finden sich u. a. in der Thorax- und kardiovaskulären Chirurgie. Allerdings sind die Klebeigenschaften nicht ideal und es besteht das Risiko der viralen Kontamination, da die Klebstoffe aus humanem Blut gewonnen werden. (…)

Geringe Wassermengen sind beim Klebeprozess notwendig, um Polymerisationen beispielsweise von Cyanacrylaten zu initiieren. Auf scheinbar trockenen Oberflächen sind unter normalen Umweltbedingungen mehrere Moleküllagen Wasser irreversibel immobilisiert. Klebstoffe wechselwirken mit ihren polaren Seitenketten mit diesen Schichten. Größere Mengen von Wasser führen dagegen zum Versagen von Klebeverbindungen. (…) Der Klebstoff wird in seiner Kohäsionskraft durch Quellung, Plastifizierung, Erosion und Hydrolyse geschwächt. (…) Eine entscheidende Stoffklasse bei biologischen Klebphänomenen sind Proteine. (…) Die gemeine Miesmuschel (Mytilius edulis) bildet dauerhafte, feste Klebeverbindungen in Wasser. Die Muschel haftet mit Byssusfäden über eine Plaque (Klebstoffpunkt) am Substrat. Die Plaque besteht hauptsächlich aus als Mytilus edulis foot protein (Mefp) bezeichneten Proteinen und ist das biologische Analogon zu einem technischen Klebstoff. (…) Eine zentrale Rolle spiel Mefp-1, das aus Folgen von zehn Aminosäuren besteht. Diese Dekapeptideinheit wiederholt sich etwa 75- bis 80-mal und enthält nach der Biosynthese enzymatisch modifizierte Aminosäuren wie Hydroxyprolin (Hyp) und Dihydroxylphenylalanin (Dopa). Die polaren Seitenketten schaffen ausgeprägte Wechselwirkungen zu polaren Molekülen auf den Substratoberflächen. Mefp-1 ist sowohl für die Adhäsion als auch für die Kohäsion verantwortlich und kann von der Klebfestigkeit mit einem Epoxid- oder Cyanacrylat-Klebstoff verglichen werden. (…) Gängige Methoden zur Gewinnung des Muschelklebstoffs basieren auf der Extraktion des Proteingemisches aus dem Byssusfaden. Für ein Gramm Klebstoff sind 10.000 Muscheln notwendig, was eine große Verschwendung natürlicher Ressourcen bedeutet. Zudem lässt sich damit reiner Klebstoff nicht isolieren. (…)

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Ansätze verfolgt, die Potenziale des Muschelklebstoffs und seiner Einzelkomponenten für den Menschen nutzbar zu machen. Hybridsysteme, basierend auf synthetischen Polymeren und der Dopa-Aminosäure, wurden für die Herstellung von Hydrogelen für medizinische Applikationen synthetisiert. Diese Gele zeichnen sich durch verbesserte adhäsive und kohäsive Eigenschaften aus. In allen Fällen wurde die Dopa-Einheit an Polyethylenglykol (PEG) geknüpft. Copolypeptide aus Dopa und Lysin entstanden und wurden durch Zugabe von Tyrosinase, Fe3+, H2O2 oder IO4 vernetzt. (…) Dopa-modifizierte verzweigte PEGs dienten zum Kleben von Schweinehäuten. Bei Zug-Scherproben zeigte die PEG-Dopa-Kombination eine 3,5-fach höhere Festigkeit verglichen mit Fibrin-fixierten Proben. Auf Miesmuschelprotein basierende Klebstoffe können ein alternativer Ansatz bei der Entwicklung neuer medizinischer Klebstoffe sein.

Vollständiger Artikel erschienen in “Farbe und Lack

Wenn man eine beliebige Person auf der Straße fragt, was im Leben wirklich wichtig ist, dann bekommt man genau die Antworten, die in jeder Frauenzeitschrift nachlesbar sind. Falls es Frauenzeitschriften noch gibt. Bei den gängigen, nichtrepräsentativen, aber vermutlich zahlreichen Umfragen zu diesem Thema steht in keinem einzigen Fall unter den Top-20-Antworten: “Mir ist Unterwasserkleben wirklich wichtig.” Man lehnt sich wahrscheinlich nicht zu weit aus dem Fenster, wenn man behauptet, dass dieser Punkt in Strassenumfragen nicht einmal zu den Top 50 der meistgegebenen Antworten gehört.

Allerdings hängt das ausschließlich mit dem Ort der Umfrage zusammen. Auf der Straße sind die Leute indifferent, gelangweilt und im Stress. Deshalb geben sie dort die Antworten, an die sie sich aus der Lektüre von Frauenzeitschriften zum Beispiel beim Arzt erinnern, um bloss keine Nachfragen zu provozieren und schnell weitergehen zu können. Wer mag schon Straßenumfragen von Frauenzeitschriften? Ändert man den Ort der Umfrage, dann verschiebt sich das Bild dramatisch zu Gunsten des Unterwasserklebens.

Aus dem Bauch heraus geschätzt 10 von 10 Befragten halten Unterwasserkleben für sehr wichtig, wenn man sie im Vorraum eines Operationssaals fragt, in dem Milzrisse operiert werden. Denn Milzrisse sind einigermaßen schwer zu nähen. Völlig abgesehen davon, dass Nähen ein widernatürlicher Prozess ist, mit der Nadel das eigentlich zu heilende Gewebe durchbohren und etwas (den Faden) dauerhaft hineinstecken, auf dass die Heilung noch komplizierter wird? Eigentlich absurd. Entsprechend sind der Biologie nähende Tiere bisher unbekannt und es spricht viel dafür, dass es trotz des hohen evolutionären Drucks, der auf der Fauna lastet, noch längere Zeit so bleiben wird.

Wenn die Natur irgendetwas verbinden möchte, dann klebt sie. Menschen können das zwar auch, zum Beispiel mit einer gerissenen Milz, aber ihre Klebstoffe sind bisher maximal zweite bis dritte Liga, schon handelsübliches Wasser macht Menschenkleber arge Probleme. Und Wasser findet sich ja überall, zwei Drittel des menschenlichen Körpers besteht draus. In der Bundesliga des Klebens mit klarer Tendenz zu Champions League hingegen spielt seit Jahren die Miesmuschel. Die Substanz, mit dem sie sich unter Wasser an irgendwelchen Felsen, Schiffen oder auch fast allen anderen Oberflächen festklebt, gehört zu den besten Klebern überhaupt und hält naheliegenderweise selbst Salzwasser aus.

Um diesen famosen Klebstoff benutzen zu können, müsste man allerdings 10.000 Muscheln sammeln, was schon deshalb nicht leicht ist, weil die Miesmuscheln unter Wasser verdammt fest kleben. Logisch eigentlich. Deshalb hat sich die weise Wissenschaft einfach bei der Miesmuschel abgeschaut, wie man mit der Kombination verschiedener Muschel-Eiweisse mit dem eher schwer vermarktbaren Sammelnamen “Mefp” den Klebstoff herstellt, der auch unter Wasser noch klebt.

Falls je ein Produkt auf Mefp-Basis in den Handel kommen sollte, empfiehlt sich entweder eine radikale Umbenennung, obwohl “Ponal” und “Uhu” auch nicht den Gipfel der Namensschönheit darstellen. Oder die Flucht nach vorn, zum Beispiel mit einem Claim wie “Mefp – heisst ungünstig, klebt super!”. Auf der anderen Seite gibt es ja auch Haushaltsprodukte mit dem Null-Namen “00 null null“, also irgendwie vier Nullen hintereinander, und wenn sich sowas verkauft, dann sollte ein Mefp-Kleber es auch schaffen können.

Natürlich ist die Miesmuschel abgesehen vom Naming dem Mensch noch weit voraus, sie hatte ja auch mehrere Millionen Generationen (Schätzwert) Zeit, den besten Klebstoff zu finden. Aber immerhin hat die Miesmuschel ihre besten Tricks preisgegeben und ermöglicht inzwischen Klebstoffe, die bei Flüssigkeitspräsenz ungefähr dreieinhalb Mal besser kleben. Dafür sollten wir der Miesmuschel dankbar sein, auch ohne Milzriss.