Zwischen Candy-Store-Effekt und „kuschelnden“ Stammzellen: Wie interaktive Materialien neue Wege in der Regenerationsforschung eröffnen. Professorin Laura De Laporte über visionäre Materialkonzepte, ihren Lebenstraum und den langen Weg von der Idee zur medizinischen Anwendung.

In der Interviewreihe „Große Fragen" beantworten Expertinnen und Experten der RWTH Fragen, die die Welt bewegen. Professorin Laura De Laporte ist W3-Professorin an der RWTH und leitet den Lehrstuhl für Makromolekulare Materialien für die Medizin. Sie ist Teil der Wissenschaftlichen Leitung am DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien und im Vorstand der Max Planck School „Matter to Life“.

Sie entwickeln sogenannte interaktive Materialien. Was verbirgt sich dahinter – und warum könnten sie die Medizin grundlegend verändern?

Professorin Laura De Laporte: Interaktive, auch bioinspirierte Materialien verbinden lebende Zellen, Gewebe oder biologische Komponenten mit nicht‑lebenden, funktionalen Materialien. Früher sollten Implantate im Körper möglichst keine Reaktion auslösen. Doch wenn man langfristig Gewebe heilen oder neu wachsen lassen will, muss sich ein Material aktiv in den Körper integrieren. Dafür braucht es gezielte Signale, damit es nicht abgestoßen wird und Heilungsprozesse unterstützt. Diese Prozesse verlaufen in mehreren Phasen – etwa bei einer Rückenmarksverletzung: Nerven müssen in das Material einwachsen und geschädigte Bereiche überbrücken.

Können Sie das noch näher ausführen?

De Laporte: Entweder nutzt man ein Material, das Heilungsprozesse unterstützt, oder man kombiniert es mit einer Zelltherapie. Dabei werden nicht nur Zellen injiziert, sondern ihnen gleichzeitig ein unterstützendes Material mitgegeben. Denn allein eingebrachte Zellen wandern oft ab, überleben nicht oder erfüllen ihre Funktion nicht ausreichend. Ein Material gibt ihnen Struktur, schützt sie und verbessert so die Wirksamkeit der Therapie.

Eine weitere Strategie nutzt die körpereigenen Zellen: Spezielle Materialien ziehen Zellen aus dem umliegenden Gewebe an. Bei der Knorpelregeneration können Stammzellen in das Material einwachsen und sich dort gezielt zu Knorpelzellen entwickeln. Entscheidend ist dabei das richtige Timing: Das Material muss Zellen zunächst anlocken und ihnen dann zum passenden Zeitpunkt das Signal zur Differenzierung geben. Solche programmierten Materialien gelten als vielversprechend, sind aber technisch sehr anspruchsvoll.

Sie entwickeln Materialien, die mit dem Körper kommunizieren. Wie kann man sich das konkret vorstellen?

De Laporte: Ziel ist es, Materialien zu entwickeln, die nicht nur Signale senden, sondern auch auf Veränderungen im Gewebe reagieren. Man könnte zum Beispiel mit äußeren Reizen wie Ultraschall arbeiten, um gezielt Faktoren freizusetzen. Langfristig geht es aber um Materialien, die autonom funktionieren – also selbst erkennen, wann welcher Schritt nötig ist. Hier muss man körpereigene Prozesse als Auslöser nutzen: Produzieren eingewanderte Zellen bestimmte Enzyme, könnte das Material darauf reagieren und Wachstums- oder Differenzierungsfaktoren freisetzen. Auch mechanische Veränderungen – etwa mehr Druck oder veränderter Blutfluss – könnten solche Signale sein. Das ist mit „bidirektionaler Kommunikation“ gemeint: Körper und Material reagieren wechselseitig aufeinander. Dieses Zusammenspiel präzise zu steuern, ist eine der größten Herausforderungen.

Das Material muss quasi schon programmiert sein, bevor es in den Körper gelangt...

De Laporte: Genau, denn es muss bereits vor dem Einsatz im Körper festgelegt sein, welche Signale es erkennt und wie es darauf reagiert. Idealerweise funktioniert alles automatisch – ohne dass später noch einmal operiert oder etwas zusätzlich injiziert werden muss. Beim Knorpel ist das vergleichsweise überschaubar. Schwieriger ist es etwa beim Rückenmark. Dort sollen Nervenzellen zunächst im eingebrachten Material einwachsen und sich dann mit den gesunden Nerven an der anderen Seite der Verletzung verbinden. Es gibt jedoch ein bekanntes Problem – als „Candy-Store-“ oder „Oasen-Effekt“ beschrieben: Die Nerven fühlen sich in dem Material so wohl, dass sie gar nicht mehr weiterwachsen wollen. Für eine Heilung müssen die Nerven die verletzte Stelle überbrücken und das Material aber unbedingt auch verlassen. Dafür braucht es einen zusätzlichen Reiz, der idealerweise ebenfalls vorher eingeplant sein muss.

Materialien, die also nicht nur auf externe Reize reagieren, sondern ihr Verhalten an veränderte Bedingungen anpassen – wann wird das Realität?

De Laporte: Vieles befindet sich noch im experimentellen Stadium. Ein Beispiel aus unserer eigenen Forschung ist ein neuartiges, injizierbares Hybrid-Hydrogel – Anisogel genannt. Hier wird das Material nach der Injektion durch ein externes Magnetfeld ausgerichtet, um die wachsenden Nerven zu leiten. Im Anschluss wird das Material, welches als strukturelle Orientierungshilfe gedient hat, durch Enzyme, die von den einwachsenden Zellen produziert werden, wieder abgebaut. So unterstützt das Material die Rückenmarkregeneration nur so lange wie notwendig. In der Klinik wird ein solches Material derzeit jedoch noch nicht eingesetzt.

Bei Rückenmarksverletzungen sieht die Behandlung aktuell anders aus: Zunächst wird die Wirbelsäule operativ stabilisiert, damit kein Druck mehr auf das Rückenmark ausgeübt wird. Danach folgt die Rehabilitation. Ein fortgeschrittener Ansatz – etwa in der Schweiz – nutzt implantierte Elektroden unterhalb der Verletzung. Durch elektrische Stimulation können Betroffene wieder stehen oder mit Unterstützung gehen; ohne Stimulation verschwindet der Effekt jedoch wieder. Künftig sollen diese Systeme direkt durch Hirnsignale gesteuert werden.

Wie realistisch ist es, ein geschädigtes Rückenmark zukünftig tatsächlich zu heilen?

De Laporte: Die derzeitige elektrische Stimulation ist ein wichtiger Fortschritt, bleibt aber begrenzt: Sie überbrückt die Verletzung gewissermaßen, ersetzt das geschädigte Rückenmark jedoch nicht. Die Stimulatoren schaffen einen „Bypass“, sie erzeugen kein neues Nervengewebe. Genau hier setzt die Materialforschung an. Ziel ist es, das Rückenmark tatsächlich zu regenerieren. Es gibt bereits andere Forschungsgruppen, die mit injizierbaren Materialien – etwa bei Mäusen – interessante Ergebnisse erzielt haben. Allerdings fehlt diesen Materialien oft eine innere Struktur, die das Nervenwachstum gezielt in eine Richtung lenkt. Ich glaube, dass das Anisogel mit solchen Technologien gut kombiniert werden könnte, um Nervenfunktion langfristig wiederherzustellen.

Für Sie ist dieses Thema sicher nicht nur wissenschaftlich relevant, sondern auch persönlich: Ihre Schwester Lisa wurde mit Spina bifida geboren – einer Fehlbildung am Rückenmark...

De Laporte: Ich bin mit diesem Thema aufgewachsen. Meine Schwester war in Sommercamps mit vielen anderen, die ebenfalls mit einer Rückenmarksverletzung leben. Dadurch habe ich früh verstanden, welche Herausforderungen der Alltag mit sich bringt. Spina bifida ist zwar etwas anderes als eine Rückenmarksverletzung durch einen Unfall – der Umgang damit ist sicher unterschiedlich. Aber viele der täglichen Schwierigkeiten ähneln sich. Später arbeitete ich in den USA in einem Labor für Tissue Engineering, was mich sofort begeistert hat. Dass ich dort schließlich an einem Projekt zur Rückenmarksverletzung beteiligt war, ergab sich eher zufällig.

Sie haben das Anisogel entwickelt, das als Navigationssystem für Nervenzellen funktioniert – wie das?

De Laporte: Das Anisogel besteht aus winzigen, stabförmigen Mikrogel-Partikeln, die etwa 2–3 Mikrometer breit und 25–50 Mikrometer lang sein können. Werden in diese Stäbchen magnetische Nanopartikel eingebaut, richten sie sich im Magnetfeld aus, während ein Hydrogel um die Stäbchen herum geliert – und so behalten die Stäbchen diese Orientierung bei, auch wenn das Feld wieder entfernt wird. So entsteht im Körper eine geordnete Struktur. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hydrogelen, die in alle Richtungen gleich aufgebaut sind, ist das Anisogel „anisotrop“ – es gibt also eine klare Richtung vor. Die Nervenzellen können entlang dieser ausgerichteten Stäbchen wachsen und gezielt durch das verletzte Gebiet geführt werden.

Was ist der Vorteil eines injizierbaren Materials?

De Laporte: Frühere Forschungsansätze basierten häufig auf vorgefertigten Gerüststrukturen, die chirurgisch in die Verletzungsstelle eingebracht werden sollten, um dort als Orientierungshilfe für regenerierende Nerven zu dienen. Doch ein solches Implantat bedeutet immer einen zusätzlichen Eingriff und kann das Gewebe weiter schädigen. Deshalb entstand die Idee, ein Material zu entwickeln, das sich minimalinvasiv injizieren lässt und dennoch eine innere Struktur besitzt, die den Zellen Orientierung gibt.

Gleichzeitig reicht die reine Orientierung möglicherweise nicht aus. Denkbar ist etwa ein Hydrogel-Depot, das Wachstumsfaktoren freisetzt, zum Beispiel ausgelöst durch Ultraschall. An solchen kombinierten Ansätzen arbeiten wir gemeinsam mit Partnern im DWI (AG Herrmann) und in Vancouver.

Wie wird es mit Ihrem Anisogel weitergehen?

De Laporte: Heute forschen wir auch noch an vielen anderen Projekten, doch mein Lebenstraum bleibt, mit unserer Anisogel-Technologie eines Tages Menschen, die mit einer Rückenmarksverletzung leben, wirklich helfen zu können. Durch die In-vivo-Experimente in Vancouver haben wir inzwischen viel gelernt. Man sieht, was funktioniert – und was nicht. Daraus ergeben sich neue Ideen, was wir verändern oder verbessern müssen. Über Details kann ich im Moment noch nicht sprechen, möglicherweise steht ein weiteres Patent an. Aber ich habe bereits eine Art „Anisogel 2.0“ im Kopf – eine Weiterentwicklung, die aus meiner Sicht noch deutlich mehr Potenzial hat als die erste Version.

Wann wird aus einem vielversprechenden Material tatsächlich ein klinisch einsetzbares Produkt?

De Laporte: Entscheidend ist zunächst zu zeigen, dass nicht nur überhaupt Nerven in das Material einwachsen, sondern dass es viele sind – und vor allem die richtigen, etwa motorische Bahnen des zentralen Nervensystems, wie die kortikospinalen Bahnen, die für Bewegung verantwortlich sind. Darüber hinaus müssen auch andere Zelltypen einwachsen und die Nerven schließlich funktionelle Verbindungen ausbilden.

Parallel denken wir bereits über die Herstellung nach: Wie produziert man ein solches Material unter sogenannten „Good Manufacturing Practice (GMP)“-Bedingungen, also regulatorisch korrekt für eine spätere Anwendung? Dazu habe ich auch schon mit Beratern gesprochen. Hier am Standort gibt es ein neues Gebäude, das Leibniz Joint Lab ‚First in Translation‘, mit Reinraum, was perspektivisch wichtig ist. Allerdings erfordert die Entwicklung unter GMP-Bedingungen viel Geld und kann erst begonnen werden, wenn das endgültige Materialdesign feststeht – also das sogenannte „Design Freeze“ erreicht ist. Erst dann weiß man: Das ist die finale Version des Materials.

Wann könnte Ihr Lebenstraum wahr werden?

De Laporte: Im Moment ist alles noch in der Testphase. Ich habe zwar schon Ideen für ein Anisogel 2.0, aber wir müssen zunächst sorgfältig prüfen, welche Variante wirklich am besten funktioniert. Solche Entwicklungen brauchen Zeit – realistisch gesehen vielleicht 15 Jahre. Das klingt lange, aber es ist wahrscheinlich ehrlich. In der medizinischen Forschung denkt man in großen Zeiträumen. Manchmal sage ich mir: Ich mache einfach weiter, auch wenn das Ergebnis vielleicht nicht mehr vollständig in meine eigene Lebenszeit fällt. Vielleicht kann ich einen Beitrag leisten – und andere entwickeln ihn weiter. Genau so funktioniert Wissenschaft: Man fügt ein kleines Stück hinzu, auf dem andere weiter aufbauen können.

Erkennt der Körper beispielsweise Ihr Anisogel als Fremdkörper?

De Laporte: Das Material basiert auf Polyethylenglycol, kurz PEG. Das ist ein Polymer, das in der Medizin bereits verwendet wird – etwa in Impfstoffen oder anderen therapeutischen Anwendungen. Es zählt daher grundsätzlich zu den etablierten Materialien. Allerdings gibt es auch eine Diskussion darüber: PEG kommt nicht nur in medizinischen Produkten vor, sondern auch in vielen Alltags- und Kosmetikprodukten, etwa in Shampoos. Dadurch können manche Menschen Antikörper gegen PEG entwickeln. Das wird von einigen als potenziell kritisch gesehen, weil es die Verträglichkeit beeinflussen könnte. Trotzdem ist PEG nach wie vor eines der wenigen Materialien, die medizinisch gut untersucht und zugelassen sind – insbesondere, wenn es darum geht, Hydrogele für Anwendungen im Körper herzustellen.

Was passiert, wenn der Körper doch auf das Material reagiert?

De Laporte: Ich habe die einzelnen Bausteine sehr bewusst ausgewählt. Das Polymer ist bereits medizinisch etabliert, und auch ähnliche Nanopartikel werden zum Beispiel in der Bildgebung eingesetzt. Ich verwende also keine völlig neuen, potenziell problematischen Materialien. Neu ist die Kombination – das Gesamtsystem ist neu, auch wenn die Einzelteile bekannt sind. Was die Immunreaktion betrifft, waren wir positiv überrascht. Eine leichte Reaktion gibt es immer, etwa durch Makrophagen – aber das ist nicht grundsätzlich schlecht. Eine kontrollierte Immunantwort gehört sogar zur Regeneration dazu. In einem anderen Projekt namens „Heartbeat“ sehen wir zum Beispiel, dass bestimmte Faktoren aus Immunzellen das Wachstum des Mini‑Herzgewebes sogar fördern können. Das zeigt: Eine gezielte, kontrollierte Immunreaktion kann Heilungsprozesse nicht nur begleiten, sondern auch unterstützen.

Eine Win-win-Situation...

De Laporte: Entscheidend ist, dass die Immunreaktion nicht außer Kontrolle gerät – denn dann wird sie problematisch. Genau darin liegt eine der großen Herausforderungen. Langfristig wäre ein Material denkbar, das Immunreaktionen erkennt und regulierend eingreift.

Erzählen Sie mehr über Ihr Projekt „Heartbeat“.

De Laporte: Neben dem Rückenmark untersuchen wir, wie sich unsere injizierbaren Mikrogel-Materialien auch für andere Gewebe einsetzen lassen – etwa für Herz, Knorpel oder Muskel. Dabei arbeiten wir mit Partnergruppen zusammen, die unsere Materialien in unterschiedlichen biologischen Systemen testen. Ein Schwerpunkt sind sogenannte Organoide – kleine humane Mini-Gewebe, die im Labor gezüchtet werden. Solche Modelle eignen sich beispielsweise, um Medikamente zu testen oder toxische Effekte zu untersuchen. In bestimmten Bereichen könnten sie helfen, Tierversuche zu reduzieren. Unsere Materialien bestehen aus injizierbaren Mikrogel-Bausteinen, die sich sogar automatisiert mit Robotern pipettieren lassen. Diese kleinen Mikrogele haben nicht nur den Vorteil, dass sie sich ausrichten können – sie ermöglichen auch Strukturen mit größeren Porenräumen, was für das Zellwachstum wichtig ist.

Inwieweit könnten Tierversuche reduziert werden?

De Laporte: Beim Thema Reduzierung von Tierversuchen sprechen wir vor allem die pharmazeutische und die chemische Industrie an, die unterschiedlichen regulatorischen Vorgaben unterliegen. Viele Substanzen müssen derzeit weiterhin im Tier getestet werden, da es bislang nur wenige anerkannte Alternativmodelle gibt. Selbst wenn eine neue Methode entwickelt wird, muss sie umfassend validiert und regulatorisch zugelassen werden – ein langwieriger Prozess. Deshalb ist es entscheidend, frühzeitig mit den zuständigen Behörden zu sprechen, um die Anforderungen für eine spätere Anerkennung zu klären.

Sie züchten schlagendes menschliches Herzgewebe im Labor. Wie muss man sich das vorstellen?

De Laporte: Es handelt sich nicht um ein komplettes Herz, sondern um funktionale Herzgewebe-Modelle im Labormaßstab. Unter dem Mikroskop erkennt man tatsächlich das charakteristische „Beating“. Durch spezifische Färbungen können wir nachweisen, dass es sich um Kardiomyozyten – also Herzzellen – handelt. Aus leicht zugänglichen Körperzellen, etwa Hautzellen, werden zunächst induzierte Stammzellen erzeugt. Diese lassen sich anschließend gezielt in Herzgewebe differenzieren.

Was war die größte Hürde dabei?

De Laporte: Eine zentrale Herausforderung besteht darin, zunächst genügend Zellen zu vermehren, bevor sie sich differenzieren. Stammzellen vermehren sich besonders gut, wenn sie engen Kontakt zueinander aufnehmen können. Wenn sie zu isoliert sind, wachsen sie nicht optimal. Sie brauchen Raum, um sich zu organisieren, sich zu berühren und miteinander zu kommunizieren – dann fühlen sie sich gewissermaßen „wohl“ und beginnen sich zu vermehren. Durch die poröse Struktur, die zwischen unseren Mikrogelen entsteht, ermöglichen wir den Zellen genau diese räumliche Organisation. Erst wenn wir genügend Stammzellen haben, starten wir gezielt die Differenzierung in Herz-, Nerven- oder andere Gewebe.

Gibt es dabei ethische Vorgaben?

De Laporte: Auf jeden Fall. Die Stammzellen, mit denen wir arbeiten, stammen von bestimmten Spendern und werden zum Beispiel über die Uniklinik bereitgestellt. Man kann nicht einfach von irgendwem ein paar Hautzellen nehmen und sie im Labor reprogrammieren. Das ist streng geregelt. Wenn man mit menschlichen Zellen arbeitet, braucht man immer eine entsprechende Einwilligung der Spender*innen und die vollständige ethische Dokumentation.

Solche Projekte werden von Ethikkommissionen geprüft und genehmigt. Gleichzeitig eröffnet diese Technologie auch große Chancen: Wenn jemand eine bestimmte genetische Mutation oder Erkrankung hat, kann man aus seinen eigenen Zellen im Labor Gewebe herstellen, das genau dieselbe DNA und dieselbe Mutation trägt. So lassen sich Krankheiten sehr gezielt untersuchen – ein Ansatz, der oft unter dem Begriff personalisierte Medizin diskutiert wird. Manchmal geht es eher um allgemeinere Modelle, manchmal um sehr spezifische genetische Veränderungen. Je nach Fragestellung muss man also stärker individualisieren. Aber unabhängig davon gilt: Die Arbeit mit menschlichen Zellen ist klar reguliert und an strenge ethische Vorgaben gebunden.

Sie arbeiten auch mit Licht. Wie funktioniert das?

De Laporte: Neben magnetischen Nanopartikeln arbeiten wir auch mit Goldnanopartikeln und Licht, um unsere Materialien zu bewegen – das klingt ein bisschen nach Science-Fiction. In diesem Ansatz enthalten die Mikrogele winzige Goldpartikel, die auf Infrarotlicht reagieren und sich durch einen Laser erwärmen. Das verwendete Polymer ist temperatursensibel: Wird es warm, zieht es sich zusammen; beim Abkühlen dehnt es sich wieder aus. Schaltet man den Laser schnell ein und aus, erzielen wir ein rhythmisches Schrumpfen und Anschwellen – also eine mechanische Stimulation im Material. Wir untersuchen, wie Zellen auf diese physikalischen Reize reagieren und ob sich Stammzellen dadurch gezielt und schneller in bestimmte Richtungen, etwa zu Knochen- oder Knorpelzellen, entwickeln lassen.

Nach einer Operation schließt sich zwar in der Regel eine Rehabilitation an, doch insbesondere in der frühen Phase sind viele Patientinnen und Patienten noch nicht in der Lage, sich aktiv zu bewegen. Ein möglicher Ansatz bestünde daher darin, die mechanische Stimulation direkt in das betroffene Gewebe zu verlagern. Denkbar wäre ein Szenario, in dem Patient*innen während der frühen Rehabilitationsphase entspannt im Sessel sitzen, während über implantierte LEDs gezielt Lichtimpulse an die operierte Stelle abgegeben werden. Dort erzeugen die temperatursensiblen Mikrogele dann rhythmische mechanische Reize. Genau das interessiert uns: Wie reagieren die Zellen darauf?

Wo liegen die größten Chancen – aber auch die Grenzen – wenn Material und Körper verschmelzen?

De Laporte: Wenn man von Verschmelzung spricht, dann klingt das natürlich erst einmal groß. Bei den Materialien, die wir für regenerative Prozesse entwickeln, sehe ich da ehrlich gesagt kein großes ethisches Problem. Wir wollen Heilung unterstützen, Gewebe regenerieren – das ist medizinisch gut einzuordnen.

Anders ist es bei Technologien wie Gehirn-Implantaten, die Signale auslesen – also gewissermaßen erfassen, was jemand gerade tun oder vielleicht sogar denken möchte, und diese Information weiterverarbeiten. Das ist faszinierend und eröffnet enorme Möglichkeiten, etwa für gelähmte Menschen. Aber hier entstehen auch ganz andere Fragen. Manche Menschen haben Sorge, dass ein Implantat im Gehirn das Verhalten beeinflussen könnte. Oder dass ein Chip theoretisch von außen manipuliert werden könnte. Da geht es dann nicht mehr nur um Regeneration, sondern um Eingriffe in sehr persönliche Bereiche – Identität, Kontrolle, Autonomie. Das ist allerdings nicht direkt mein Forschungsgebiet.

Ist das auch wieder ein Ethik-Thema?

De Laporte: Ich finde, gerade bei solchen Technologien müssen ethische Fragen sehr früh mitgedacht werden. Es zeigt sich, dass eine Therapie von den Patientinnen und Patienten akzeptiert werden muss. Wenn sie etwas nicht in ihrem Körper haben wollen, dann nützt die beste Technologie nichts. Das haben wir in anderen Bereichen – etwa bei Impfungen – deutlich gesehen.

Deshalb ist es wichtig, frühzeitig Patientenorganisationen einzubeziehen. Beim Thema Rückenmark stehen wir zum Beispiel in Kontakt mit Betroffenen. Man muss zuhören: Was sind wirklich die Probleme? Was sind die Erwartungen? Und man sollte transparent machen, woran man arbeitet, damit keine falschen Vorstellungen entstehen.

Ich bekomme regelmäßig E-Mails von Menschen, die direkt an klinischen Studien teilnehmen möchten. Und ich antworte auch. Aber oft ist das ernüchternd, weil ich erklären muss, dass wir noch weit von einer Anwendung am Menschen entfernt sind. Am Anfang kamen diese Anfragen vor allem aus dem Bereich Rückenmark, inzwischen – seit wir mit Knorpel arbeiten – auch von dort. Gerade deshalb bin ich in Interviews sehr vorsichtig und will keine falschen Hoffnungen wecken.

Die Fragen stellte Nicola König.