Ziel der Entwicklung
Kollagenbasierte Biomaterialien werden häufig in der regenerativen Medizin zur Heilung von Gewebedefekten eingesetzt zum Beispiel bei der Behandlung von Wunden, zur Stillung von Blutungen, zur Rekonstruktion von Knochen- und Knorpelschäden. Die Zusammensetzung der Materialien aus den verschiedenen Kollagentypen kann den Heilungserfolg beeinflussen. Die Kenntnis über den prozentualen Anteil der einzelnen Kollagentypen im Produkt ist auch ein wichtiges Kriterium für die Marktzulassung eines kollagenbasierten Medizinproduktes und damit für Hersteller von Kollagenprodukten relevant. Die Quantifizierung von Kollagentypen ist nun mit zwei Methoden möglich. Zum einen kann die Quantifizierung mittels Massenspektrometrie erfolgen, zum anderen mit immunologische Methoden (Western Blot, ELISA). Immunologische Verfahren sind für Proben aus prozessiertem Kollagen eingeschränkt verwendbar. Wenn die Domäne, die der Antikörper erkennt, bei der Prozessierung verlorengeht, entsteht kein Signal und das Kollagen kann nicht quantifiziert werden. Deshalb wurden im Projekt massenspektrometriebasierte Methoden zur quantitativen Analyse der in Kollagenmaterialien vorhandenen Kollagentypen entwickelt, sogenannte Multiple Reaction Monitoring (MRM)-Assays. Die MRM-Assays ermöglichen die relative Quantifizierung von Kollagen der Typen I, II und III aus Rind, Mensch, Pferd, Schwein und Schaf.
Vorteile und Lösungen
Zur Entwicklung der MRM-Assays wurden für jeden Kollagentypen spezifische Peptide ausgewählt, die einige wichtige Kriterien erfüllen mussten. Die Peptide durften keine oder nur reproduzierbare Aminosäuremodifikationen aufweisen, sie mussten proteotypisch sein, das heißt nicht in anderen Proteinen vorkommen und sie durften keine Trypsin-Schnittstellen enthalten, die nicht vollständig gespalten werden. Die Identifizierung geeigneter Peptide war ein wesentlicher Schwerpunkt des Projektes. Mit den ausgewählten Peptiden wurden insgesamt fünf MRM-Assays entwickelt, jeweils einer pro Spezies, mit denen sich die Kollagentypen I, II und III quantifizieren lassen. Die Quantifizierung der Kollagene erfolgte über Kalibrierkurven, die mit Hilfe von Standardpeptiden erstellt wurden. Dazu wurde für jeden Kollagentyp mindestens eins der mit den Assays zu messenden Peptide als Standardpeptid bei einem Peptidsynthese-Anbieter beschafft.
Die Assays wurden zunächst zur Analyse der Effizienz des Trypsinverdaus der Kollagene und der Peptidaufreinigung genutzt. Weiterhin wurden die Kollagentypen in Proben aus den fünf Spezies quantifiziert, darunter Kollagenstandardproteine und Kollagenproben, die aus unterschiedlichen Geweben extrahiert worden waren. Mit den Assays wurden auch verschiedene Biomaterialien analysiert. In allem Proben konnten die vorhandenen Kollagentypen quantifiziert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Kollagen ist ein wichtiger Rohstoff und wird unter anderem in der Lebensmittelindustrie, in der Kosmetik und in der Medizin eingesetzt. Betrachtet man den Markt in Hinsicht auf die Anwendung des Kollagens, hatte der Nahrungsmittelsektor den größten Anteil mit mehr als 50 Prozent. Der Marktanteil des Gesundheitssektors betrug etwa ein Drittel. Die wichtigsten Anwendungsgebiete im Gesundheitssektor sind Produkte für Operationen (Gewebeersatz), für die Wundversorgung (Wundauflagen) und kollagenbasierte Arzneimittelabgabesysteme.
Der Markt für Produkte zur Wundversorgung ist sehr groß (2022: 20,8 Mrd. Dollar). Jedoch haben kollagenbasierte Wundauflagen nur einen relativ kleinen Markt, der 2021 auf rund 1 Mrd. Dollar geschätzt wurde . Der Markt für Wundversorgung wird insbesondere auf Grund steigender Zahlen von chronischen Wunden zum Beispiel diabetische Fußgeschwüre getrieben. Auch die zunehmende Zahl von Operationen führt zu einem erhöhten Bedarf an Wundversorgungsmaterialien. Die Herstellung von Gewebeersatz aus Kollagen und anderen Materialien wird als Tissue Engineering (Gewebekonstruktion) bezeichnet. Man versteht darunter die Konstruktion von Gewebe durch die gezielte Kultivierung von Zellen auf (Kollagen)-Scaffolds. Der globale Markt für „tissue engineered collagen biomaterials“ wurde für das Jahr 2020 auf 2,3 Mrd. Dollar geschätzt und soll bis 2027 mit einer jährlichen Rate von zehn Prozent auf 5,5 Mrd. Dollar steigen . Die Steigerung des Marktes wird unter anderem durch eine alternde Bevölkerung, die zunehmend chronische Krankheiten entwickelt, getrieben. Wichtige Einsatzgebiete für Gewebeersatz sind Knochen- und Knorpeldefekte, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Weichteilrekonstruktionen.
