Muschelproteine inspirieren medizinische Kleber

Dr. rer. nat. med. habil. Eva Gottfried

15.08.2026

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Biokompatible Klebstoffe sind in der Versorgung von Gewebsverletzungen, Knochenbrüchen und regenerativer Medizin in den Fokus gerückt. Meeres- und Süßwassermuscheln dienen als Ideengeber für biomimetische Ansätze für Haftstoffe im feuchten Milieu.

Medizinische Auflagen und Kleber sind nicht-invasive, einfach zu handhabende Medizinprodukte, die neben ihrer Barrierefunktion häufig auch hämostatische und bakteriostatische Wirkung haben. Ihr Aufbau aus synthetischen Polymeren und/oder natürlichen Biopolymeren bestimmt neben der Haftung auch ihre physiologische Abbaubarkeit, die durch eine Kombination aus hydrolytischen, oxidativen und enzymatischen Prozessen gesteuert ist. Hieraus resultieren Bioresorptionsrate und Biokompatibilitätsprofile der Klebstoffe, deren sorgfältige Entwicklung für eine sichere und wirksame klinische Anwendungen unerlässlich ist [1].

Derzeit in der Medizin am meisten genutzt werden hämostatische, selbstauflösende Fibrinkleber mit Barrierefunktion sowie Cyanacrylate, sogenannte schnell aushärtenden Superkleber für Wundverschluss und Operation. Darüber hinaus werden Silikonkleber für Wundauflagen, Narbenbehandlung und in der Pflege eingesetzt sowie Epoxidharze zur Befestigung von Kathetern, Spritzen und anderen chirurgischen Instrumenten. Seit einiger Zeit stehen Bioadhäsive im Fokus der Forschung, d.h. biokompatible Klebstoffe zum Verkleben von nativem Gewebe oder biogenen sowie synthetischen Implantaten mit Haut, Blutgefäßen und anderen Organen [1, 2].

Dabei werden unterschiedliche Ausgangsstoffe genutzt. Ein Teil der Gewebeklebstoffe basiert auf synthetischen Polymeren, wie Polycyanoacrylate, Poly(ethylenglykol)-Derivate, Polyurethan, Poly(Milchsäure-co-Glykolsäure) und hyperverzweigten (dendritischen) synthetischen Polymeren. Andere bestehen aus Biopolymeren auf Polysaccharidbasis, wie Chitin und Chitosan, Dextran oder Chondroitin. Die natürlich vorkommenden Zuckerbausteine sind vollständig biologisch abbaubar, biokompatibel und nicht-immunogen. Auch Klebstoffe aus vernetzenden Proteinen wie Fibrin, Gelatine und Albumin u.v.m. stehen zur Wahl [2].

Biomimetische Materialien für die Medizin

Ein wichtiger Forschungszweig befasst sich mit biomimetischen Materialien. Hierfür werden Prozesse der Natur entschlüsselt, um ihre Mechanismen für die Materialwirtschaft zu nutzen, woraus der Bereich der Bionik entstanden ist (Bio-logie x Tech-nik). So produzieren an Land lebende Nacktschnecken einen abdichtenden Schleim aus Glycosaminoglycanen, antimikrobiellen Peptiden und anderen Inhaltsstoffen, um sich auf trockenem Boden fortbewegen zu können, während Miesmuscheln in der Lage sind, sich mithilfe besonderer Muschelproteine an nassen, salzigen und rauen Oberflächen festzuhalten [1-3]. So nutzt Adhäsion in der Natur physiologische, physikalische und chemischer Wechselwirkungen zwischen klebriger Substanz und Untergrund [1, 2].

Muschel-Haftproteine

Miesmuscheln und Venusmuscheln kleben mit Byssusfäden an Felsen, Pfählen und anderen Flächen fest. Sie scheiden hierzu am Fuß ein Sekret (Byssus) mit Haftproteinen aus. Wird die Strömung zu stark oder treten andere widrige Bedingungen ein, können Sie sich wieder ablösen, indem sie die Fäden schlagartig abwerfen und sich wegbewegen [1]. Inzwischen wurde eine Reihe von adhäsiven Muschelproteinen (MAPs) identifiziert, die am aushärtenden Muschelsekret beteiligt sind [4]. Sie sind reich an L-DOPA (3,4-Dihydroxyphenylalanin), einer nicht-proteinogenen Aminosäure, die erst durch posttranslationale Modifikation funktionsfähig wird. Für ein festes Anheften an einer Oberfläche ist das Wechselspiel zweier Molekülformen wichtig: DOPA-Catechol dient zur ersten Adhäsion; bei Kontakt mit Meerwasser wird sie in DOPA-Quinon umgewandelt und die Substanz härtet durch Vernetzung aus [1, 4].

Nachdem die Umwandlung in DOPA-Quinon durch verschiedene Oxidationsvorgänge ausgelöst wird, ist die industrielle Produktion des Klebers herausfordernd. In einem neuen Ansatz wurde nun beschrieben, wie mithilfe von modifizierten ONB-DOPA-Einheiten des Muschelproteins MAP Typ 5 eine räumlich und zeitlich Haftung nach Photoaktivierung mit UV erreicht wird. Die rekombinante Produktion der Proteine im Biofermenter für die Produktion bioadhäsiver Substanzen steht in Aussicht [1, 4].

Mucin-Netzbildung plus Muschelsystem

In einem anderen Ansatz wird das System der chemischen Vernetzbarkeit von Muschelproteinen mit der Vernetzung von Mucinen kombiniert, u.a. um das Problem der vorzeitigen Aushärtung durch Oxidation zu verhindern [5]. Mucine sind Glycoproteine im Mucus, die seine Viskosität bestimmen und so auch für Hydrogele in Wundmaterial und für antibakterielle Beschichtungen attraktiv sind. Wissenschaftler nutzten nun Catechol-Thiol-Bindungen des Muschelsystems, um die Gelierung von nativen Mucin-Polymeren zu verbessern, was haftfähige Hydrogelen ermöglicht [5]. Die Funktionalität wurden für zwei Anwendungsbereichen gezeigt, als Gewebeklebstoffe für Hautersatz mit Schweinehaut und als bioaktive Oberflächenbeschichtung zur Reduktion bakterieller Besiedlung. Zur Anpassung an verschiedenste Einsatzbedingungen lassen sich die Adhäsionseigenschaften und Dynamik der Gelierung durch Variation der Zusammensetzung, der Polymerarchitektur und der Thiolverfügbarkeit variieren. Neben der Zeitspanne beim Gelieren von Sekunden bis Stunden sind Elastizität, Bruchspannung und Ablösbarkeit (debonding) anpassbar [5].

L-DOPA-freies System in Anlehnung an Süßwassermuschel

Ein weiteres System geht zurück auf die Quagga-Dreikantmuschel, eine Süßwassermuschel aus dem Schwarzen Meer, die inzwischen bis Europa und Nordamerika vorgedrungen ist. Die Muschel nutzt zum Anheften das Protein Dbfp7, das mittels quantitativer Proteomik in hoher Konzentration an der Anheftungsstelle im Muschelfuß nachgewiesen wurde [6]. Die mechanische Leistungsfähigkeit des Proteins wurde mithilfe von Rasterkraftmikroskopie (AFM, atomic/scanning force microscope) bestimmt. Die Haftkräfte in Wasser sind laut Veröffentlichung vergleichbar den etablierten Referenzwerten von Proteinen aus Meeresmuscheln [6]. Weil das Haftprotein Dbfp7 ohne L-DOPA auskommt, ist das Oxidationsproblem anderer Muschelproteine hier auch umgangen [6].

An vielfältigen weiteren biomimetischen Ansätzen wird geforscht, um klinisch ideale Klebstoffe zu entwickeln, die Kriterien wie Biokompatibilität und Einsatzmöglichkeit im feuchten und entzündlichen Milieu, eine an die Nutzung angepasste Haftung mit angemessener Gelierzeit, Flexibilität, einfache Anwendung und Repositionierbarkeit, Einsatz bei minimalinvasiven Verfahren sowie hydrolytische oder enzymatische Bioabbaubarkeit ohne giftige Abbauprodukte u.v.m. vereinen [1, 2].

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