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Kraftvoll zubeißen

Zahnersatz und Reparatur

Haifische, Krokodile oder Nagetiere haben es gut, denn ihre Zähne regenerieren sich das ganze Leben lang. Davon können Menschen nur träumen: Haben die »Zweiten« durch Karies oder Parodontitis Schaden genommen, bleibt nur künstlicher Ersatz. In den letzten Jahren hat sich bei den dritten Zähnen aber viel getan. Und aus der Forschung kommen neue Impulse. Ein Überblick.
Michael van den Heuvel
31.01.2020  13:00 Uhr

Totalprothesen aus früheren Zeiten verlieren mehr und mehr an Bedeutung. Geht ein Zahn verloren, sind Zahnimplantate für eine steigende Zahl von Patienten inzwischen die erste Wahl. Sie geben Zahnprothesen festen Halt, tragen aber auch Kronen und Brücken. Heute werden Implantate meist aus reinem Titan gefertigt und im Kiefer verschraubt.

Wie die Deutsche Gesellschaft für Implantologie im Zahn-, Mund- und Kieferbereich berichtet, implantieren Zahnärzte pro Jahr schätzungsweise 1,3 Millionen dieser künstlichen Zahnwurzeln als Träger von Zahnersatz. Der Trend geht weiter: Im Jahr 2018 schlossen mehr als 300.000 Menschen Zahnzusatzversicherungen ab. Damit haben insgesamt 16 Millionen Menschen eine solche Police. Sie erhalten je nach Vertrag unterschiedlich hohe Zuzahlungen.

Der steigende Bedarf an Implantaten liegt aber nicht nur an der demographischen Entwicklung. Von einer Implantattherapie können heute auch Patienten profitieren, deren Erkrankung noch vor einigen Jahren als Kontraindikation galt. Dazu gehören Diabetes mellitus, Osteoporose oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Ganz so einfach ist die Sache dennoch nicht. Denn Zahnverlust oder Parodontitis führen mittelfristig dazu, dass sich Kieferknochen abbaut. Osteoklasten bilden unter solchen Gegebenheiten Enzyme, und die Knochenmatrix löst sich langsam auf. Nehmen Patienten mit Osteoporose Bisphosphonate ein, können nach zahnmedizinischen Eingriffen außerdem Nekrosen der Kieferknochen entstehen. Zum Kieferknochen-Aufbau eignet sich beispielsweise Knochenmaterial aus dem Becken. Zahlreiche Forschergruppen weltweit untersuchen außerdem biologische Wachstumsfaktoren, die sich eignen, den Knochenaufbau zu stimulieren.

Heilen statt reißen

Darüber hinaus arbeiten Wissenschaftler an Möglichkeiten, dass sich Zähne selbst biologisch reparieren. Momentan entfernen Zahnärzte bei kariösen Läsionen das betroffene Material mechanisch per Bohrer und versorgen die entstandene Kavität mit Kompositen, mit Zement, mit einem Inlay oder früher auch mit Amalgam. Gerade tiefere Karies kann den Zahnnerv angreifen. Dann folgt eine Wurzelkanalbehandlung, und der betroffene Zahn ist tot. Er verliert langfristig an Stabilität. Früher oder später folgt eine Extraktion.

Umso größer ist die Hoffnung, beschädigte Zähne biologisch zu reparieren. Bereits 2017 zeigten britische Forscher um Victor C.M. Neves bei Mäusen, dass sich Dentin durch die Mobilisierung von Stammzellen in der Zahnpulpa, dem Zahnmark, stimulieren lässt. Dentin bildet die Hauptmasse eines Zahnes. Es besteht aus Calciumphosphat und aus zahlreichen Proteinen. Im Experiment brachte Neves biologisch abbaubare, klinisch zugelassene Kollagenschwämme mit Antagonisten der Glykogen-Synthase-Kinase-3 in Läsionen ein. Als GSK-3-Hemmstoff untersuchte er Tideglusib, einen experimentellen Wirkstoff gegen Morbus Alzheimer. Die Substanz ist besonders interessant, da sie bereits wichtige Tests zur Sicherheit bestanden hat. Durch die Hemmung von GSK-3 wurde ein alternativer Signalweg aktiviert, und biologische Strukturen im Zahn regenerierten sich. Neues Dentin wurde gebildet und ersetzte den Schwamm.

Weitere Erkenntnisse veröffentlichten im vergangenen Jahr Wissenschaftler des Biotechnologischen Zentrums der Technischen Universität Dresden: Denis Corbeil und Kollegen entdeckten einen bislang unbekannten Typ mesenchymaler Stromazellen in den Frontzähnen von Mäusen. Werden diese Stammzellen angeregt, senden sie Signale an Zellen im Zahngewebe. Sie aktivieren das Gen Dlk1 (Delta Like Non-Canonical Notch Ligand 1). Es ist für die Anzahl neu produzierter Zellen im Zahn verantwortlich, und Dentin bildete sich. Dlk1 scheint aber auch den Wundheilungsprozess zu verbessern. Dieser Mechanismus könnte eine neue Lösung für die Zahnreparatur darstellen, falls er sich auf Menschen übertragen lässt. Das ist momentan noch unklar.

Natürliche Dritte aus dem Labor

Nicht immer wird es mit einer Reparatur getan sein. Roland Lauster von der TU Berlin arbeitet mit Kollegen daran, im Labor ganze Zähne zu züchten. Sein Team präparierte aus dem Inneren eines extrahierten, vitalen Zahnes, etwa eines Weisheitszahns, dentale Pulpa-Zellen. Diese wurden vereinzelt, gereinigt und in Mikrotiterplatten kultiviert, deren Oberfläche mit einem Hydrogel beschichtet wurde. Das Hydrogel verhinderte, dass sich Zellen an der Wand von Reaktionsgefäßen anheften. Vielmehr schwammen sie frei im Nährmedium. Dies führte zu einem »Zell-Ball«. Adulte Zellen entwickelten sich in den Embryonalzustand zurück und wurden zu Zahnkeimen. Darunter versteht man ein Stadium mit bereits vorhandener Zahnkrone, aber noch nicht ausgebildeter Zahnwurzel.

Zahnkeime können sich je nach Umgebung beispielsweise zu einem Schneidezahn oder Backenzahn entwickeln. Im Tiermodell zeigten weitere Arbeitsgruppen bereits, dass ein in den Kiefer implantierter Zahnkeim tatsächlich wieder zu einem kompletten Zahn auswächst. Allerdings benötigt Lauster im Unterschied zu früheren Arbeiten keine embryonalen Stammzellen. Sprich: Ethische Fragen stehen der Anwendung nicht im Wege, sollte es zum Einsatz in der Humanmedizin kommen.

3D-Druck für neue Dimensionen

Deutlich weiter sind Forscher bei dreidimensionalen Druckverfahren. Schon heute profitieren Patienten von dieser Technologie. Ziel der Arbeiten ist, Kieferknochen zu ersetzen oder zu regenerieren. Das kann aufgrund von Unfällen, Tumoren oder aufgrund der altersbedingten Rückbildung des Knochens erforderlich sein. Gelingt dieser Schritt, folgt die Versorgung mit Implantaten.

Chirurgen setzen bei Implantaten auf anorganische, inerte Materialien. Mit hochauflösenden Computertomografen wird der Kopf eines Patienten genau vermessen. Auf Basis dieser Daten errechnet eine Software am Computer ein Modell des Implantats. Das Werkstück selbst baut der 3D-Drucker Schicht für Schicht auf. Hier kommt feinstes Titan zum Einsatz. Es wird anschließend gesintert, eventuell mechanisch nachbearbeitet und dann implantiert, bleibt aber ein Fremdkörper.

Das muss nicht sein, wie Warren L. Grayson aus Baltimore berichtet. Er experimentierte im Labor mit Polycaprolactonen. Diese biologisch abbaubaren Polymere mischte Grayson mit einem zellfreien Pulver aus Rinderknochen. Bei Mäusen lockten solche Implantate Stammzellen an. Nach zwölf Wochen stellte sich das erwünschte Wachstum des Kieferknochens ein. Das Material selbst wird mittelfristig resorbiert.

Einen anderen Ansatz verfolgt EpiBone aus New York. Das Start-up-Unternehmen arbeitet mit CT-Scans des beschädigten Knochens als Basis für 3D-Modelle. Anschließend steuern Computer eine Fräse an, um passgenaue Modelle aus Kuhknochen herauszuschneiden. Das Implantat wandert zusammen mit Stammzellen in einen Bioreaktor und wird danach implantiert. Auch hier bildet sich mittelfristig vitales Knochengewebe. Tierexperimente verliefen vielversprechend.

Doch es geht auch ganz ohne Material von Kühen oder Schweinen. Mehreren Forschergruppen ist es gelungen, lebende Implantate mit menschlichen Zellen zu produzieren. Auch hier steuern Daten aus dem CT einen 3D-Biodrucker an. Als »Tinte« kommen eine anorganische Calciumphosphat-Paste und eine Suspension mesenchymaler Stromazellen in Hydrogel zum Einsatz. Aus den Vorläuferzellen bilden sich Osteoblasten, also Zellen zum Aufbau des Knochens. Die Drucktechnik führt zu einer homogenen Verteilung von Zellen in der anorganischen Matrix, und ein funktionsfähiger Knochen entsteht. Alle Labors sind sich einig, dass ihre Technologien die Kieferchirurgie revolutionieren werden.

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