Forscher beschichten Knochenimplantate mit Kurkuma und Ingwer – und verbessern so die kritischen ersten Wochen

Knochenimplantate sollen fest mit dem Körper verwachsen, möglichst lange halten und keine Infektion auslösen. In der Praxis klappt das nicht immer. Wenn Bakterien die Oberfläche besiedeln oder der Knochen nur schwach an das Material andockt, folgen oft Schmerzen, neue Eingriffe und im schlimmsten Fall ein Austausch.

Nun kommt ein Stoffmix ins Spiel, der eher nach Gewürzregal klingt als nach moderner Implantatforschung. Eine Arbeitsgruppe der Washington State University hat Titanimplantate mit Curcumin aus Kurkuma und Ingwerextrakt beschichtet. In frühen Versuchen förderte diese Oberfläche das Anwachsen des Knochens, bremste Bakterien und schwächte Osteosarkom-Zellen. Veröffentlicht wurde die Arbeit im Journal of the American Ceramic Society.

Warum Knochenimplantate oft früh Probleme machen

Metallimplantate müssen im Alltag enorme Belastungen aushalten. Sie sollen Gewicht tragen, fest sitzen und zugleich den Kontakt zum umliegenden Gewebe gut verkraften. Dort beginnen oft die Schwierigkeiten. Löst sich die Verbindung zum Knochen, verliert das Implantat an Stabilität. Kommen Keime hinzu, wird die Behandlung kompliziert.

Nach Angaben des Endoprothesenregisters wurden in Deutschland im Jahr 2022 insgesamt 347.702 Eingriffe an Hüfte und Knie dokumentiert. Nicht jede Prothese hält dauerhaft problemlos. Vor allem Lockerungen und Infektionen gehören zu den häufigen Gründen für spätere Wechseleingriffe. Bei Knie-Wechseloperationen entfielen 23,4 Prozent auf Lockerungen und 14,9 Prozent auf Infektionen.

Infektionen belasten Patienten oft doppelt

Vor allem Infektionen sind heikel. Sie lassen sich oft schwer beherrschen, weil Bakterien direkt am Implantat sitzen. Antibiotika helfen dann nicht immer ausreichend. „Oft erfordert eine Infektion die Entfernung des Implantats. Es gibt keine andere Möglichkeit, den Knochen im Körper des Patienten zu reparieren. Solche infektionsbedingten Probleme können große gesundheitliche und finanzielle Belastungen auslösen“, erklärt Studienautorin Susmita Bose.

Dazu kommt ein weiterer besonders belastender Bereich. Getestet wurde die Beschichtung auch gegen Osteosarkom-Zellen. Diese Form von Knochenkrebs gilt als die häufigste bösartige Knochenerkrankung bei Kindern und jungen Erwachsenen. Selbst nach Operation, Chemotherapie und Implantatversorgung können einzelne Krebszellen in der Umgebung zurückbleiben.

Die Beschichtung gibt Wirkstoffe direkt vor Ort ab

Die Forscher versahen eine Titanlegierung mit einer Beschichtung aus zinkoxid-dotiertem Hydroxylapatit und brachten darauf Curcumin sowie Ingwerextrakt auf. Der entscheidende Vorteil: Die Wirkstoffe sitzen von Anfang an dort, wo sie gebraucht werden und müssen nicht erst über Tabletten oder Infusionen durch den Körper zur betroffenen Stelle gelangen. Sie werden direkt vom Implantat aus nach und nach freigesetzt.

Die Wirkstoffe gingen nicht auf einmal vom Implantat ab, sondern langsam über mehrere Wochen. Innerhalb von 28 Tagen wurden je nach Kombination rund 9 bis 20 Prozent freigesetzt. Saßen Curcumin und Ingwer zusammen auf der Oberfläche, fiel die Freisetzung höher aus als bei den Einzelstoffen. Die Beschichtung selbst war dabei nur 80 bis 150 Mikrometer dick, also ungefähr so dünn wie ein Haar.

Neue Beschichtung verdoppelt Knochenbildung

Im Rattenmodell bildete sich rund um die behandelten Implantate deutlich mehr neuer Knochen. Nach sechs Wochen lag die neue Knochenbildung je nach Auswertung bei bis zu etwa dem Doppelten der Kontrollgruppe.

Mehrere Färbemethoden kamen zu sehr ähnlichen Ergebnissen. In der Masson-Goldner-Färbung lag die neue Knochenbildung bei rund dem Zweifachen. Die Röntgenbilder bestätigten zudem die korrekte Lage der Implantate. Brüche traten nicht auf.

Auch gegen Bakterien und Krebszellen fiel der Effekt deutlich aus

Nicht nur das Anwachsen verbesserte sich. Gegen Staphylococcus aureus erreichte die beschichtete Oberfläche eine antibakterielle Wirkung von rund 92 Prozent. Solche Keime spielen bei Infektionen an Implantaten immer wieder eine Rolle. Eine infizierte Oberfläche kann den gesamten Heilungsverlauf gefährden.

Auch bei Osteosarkom-Zellen fiel der Effekt stark aus. Auf Oberflächen mit Curcumin sank die Zellviabilität nach elf Tagen um etwa das 7,3-Fache. In der Kombination mit Ingwer ging sie sogar um das 11-Fache zurück. Den knochenbildenden Zellen schadete die Beschichtung nicht. Im Labor lag die Zellviabilität der Osteoblasten bei der Kombination aus Curcumin und Ingwer bei etwa dem 1,5-Fachen der Kontrolle.

„Im Grunde kombiniere ich das Beste mit dem Neuesten. Das Beste stammt aus Lebensmitteln, das Neueste aus dem biomedizinischen Gerät“, sagt Bose. Ihr Kollege Amit Bandyopadhyay ergänzt: „Wir entwickeln ein Implantat, das Infektionen besser widerstehen kann und dem Knochen beim Anwachsen helfen kann.“ Der Nutzen müsse nicht auf ein Einsatzgebiet beschränkt sein. Genannt werden Hüft-, Knie-, Wirbelsäulen- und Schulterimplantate.

Für den Alltag in der Klinik ist das noch keine fertige Lösung. Die stärkere Knochenbildung stammt aus einem Tierversuch. Die Effekte gegen Bakterien und Krebszellen wurden im Labor gemessen.

Kurz zusammengefasst:

• Knochenimplantate scheitern oft an drei Problemen zugleich: Sie heilen nicht fest genug ein, sie können sich infizieren, und nach Tumoroperationen können belastende Zellen zurückbleiben.
• Eine neue Beschichtung mit Curcumin, Ingwer, Zink und Hydroxylapatit verbesserte im Versuch die frühe Knochenbildung deutlich, hemmte Bakterien stark und schwächte Osteosarkom-Zellen auf der Implantatoberfläche.
• Wichtig für die Einordnung ist: Die bessere Einheilung wurde im Tiermodell beobachtet, die Effekte gegen Bakterien und Krebszellen im Labor – der Ansatz ist also vielversprechend, aber noch keine fertige Behandlung.

Übrigens: Während Curcumin und Ingwer für Knochenimplantate vielversprechend wirken, mahnt eine andere Studie bei der Einnahme als Nahrungsergänzung zur Vorsicht. Mehr dazu in unserem Artikel.

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