Ein Herz oder eine Lunge aus dem Drucker?

Menschliches Gewebe kann im Bioprinter gedruckt werden. Wie das funktioniert.

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Noch nie konnte in der Schweiz so vielen Menschen ein lebensrettendes Organ zugeteilt werden wie im Jahr 2015: 471 Organe wurden transplantiert. Vor allem Lebern und Nieren. Das vom Bund anvisierte Ziel von 20 Spendern pro Million Einwohner rückt näher. Trotzdem bleiben Organe von Menschen für die Transplantation Mangelware.

Helfen könnte eine neue Technologie. Biologen, Chemiker, Materialwissenschaftler, Ingenieure und Mediziner versuchen seit rund zehn Jahren, die Möglichkeiten der 3-D-Drucktechnik zur Herstellung von Geweben für die regenerative Medizin zu nutzen.

Der amerikanische Forscher Tony Atala vom Wake Forest Institute in North Carolina funktionierte im Jahr 2010 einen herkömmlichen Bürodrucker so um, dass er damit lebende Zellen in Form von Herzklappen drucken konnte. Ein Jahr später zeigte er auf dem Innovationsforum TED-Talk live, wie eine Niere im Bioprinter entsteht. Die Euphorie um Atalas «Kidney on Stage» war gross, weil das wie die Lösung aller Organspendeprobleme aussah. Doch die Botschaft, die Atala damit verkündete, war etwas übereilt. «Was man damals sah, war gewissermassen ein Haus ohne Wasserleitung, Stromanschluss oder Kanalisation», sagt Mischa Müller. Der Doktorand am Institut für Biomechanik der ETH ist Spezialist für die Herstellung von Knorpelgewebe.

Durchblutung ist schwierig

Denn was Atala präsentierte, waren menschliche Zellen, die in Nierenform arrangiert wurden. Das «Organ» gab nichts von seinem Inneren, geschweige denn etwas von seiner Funktionalität preis. «Und da sind die grossen Herausforderungen nach wie vor weitgehend ungelöst, etwa die funktionierende Durchblutung», sagt Müller.

Die grossen Organe – Herz, Lunge, Niere oder Leber – bestehen aus vielen verschiedenen Zellen und Zelltypen, die intern komplexe, dreidimensionale Strukturen bilden und deren einzelne Zellen miteinander interagieren und kommunizieren. Es gibt Lösungsansätze für die Durchblutung. So konnte schon gezeigt werden, dass tubuläre Strukturen mit den relevanten Zellen, dem Endothel und den glatten Muskelzellen, druckbar sind und Flüssigkeit hindurchgepumpt werden kann. Doch das fand erst in einzelnen, isolierten Modellen statt. In einem Organ muss jede Zelle in unmittelbarer Nähe, etwa 200 bis 300 tausendstel Millimeter, von Blutgefässen lokalisiert sein, um genügend Nährstoffe und Sauerstoff zu bekommen sowie um Abfallstoffe loszuwerden.

«Wenn das erreicht würde, dann müsste man den Blutfluss noch aufrechterhalten können», gibt Life-Science-Forscher Markus Rimann zu bedenken. «Das macht allein die Kultivierung und Reifung des Organs vor der Transplantation schon sehr aufwendig und schwierig», sagt der Wissenschaftler an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), der sich seit über fünf Jahren mit Bioprinting befasst. Denn die Durchblutung müsste schon parallel zum Wachstum der Zellen funktionieren. Ob eine Niere je funktionsfähig aus dem Drucker kommt, sei heute schwierig abzuschätzen. «Momentan sind weltweit sehr viele Leute daran, die Technologie weiterzuentwickeln, und wer weiss, vielleicht sehen die Bioprinter der Zukunft komplett anders aus.»

Die ersten Gewebezüchtungen

Die regenerative Medizin kam in den 80er-Jahren auf, als zum ersten Mal künstliche Haut gezüchtet wurde. Fortan gab es die Vision, dass man jegliches Gewebe im Labor reproduzieren und später implantieren könnte. Einfache Strukturen wie Blutgefässprothesen, Herzklappen oder Harnleiter konnten mittels Gewebezüchtung erfolgreich hergestellt werden. Bevor es den Bioprinter gab, mussten vorgefertigte Grundgerüste mit Zellen des Patienten besiedelt werden, um das gewünschte Gewebe zu züchten. Allerdings erlaubte das kaum die komplexe Anordnung der Zellen, wie sie die Anatomie vorgibt. Die Forschung stagnierte um die Jahrtausendwende.

Nun bringt die 3-D-Drucktechnologie neuen Schub in der Entwicklung: Die Zellen können schneller und präziser platziert werden, ausserdem können verschiedene «Tinten» verwendet werden, also verschiedene Zelltypen, aber auch andere Materialien – heterogene und intern dreidimensionale Strukturen werden so möglich.

Knorpel eignet sich gut zum Druck – er besteht aus nur einem Zelltyp und ist nicht durchblutet.

Man konzentriere sich aktuell auf Gewebe mit maximal zwei bis drei Zelltypen und wenigen Blutgefässen, so Rimann. Knorpel etwa eignet sich gut zum Druck – er besteht aus nur einem Zelltyp und ist nicht durchblutet. An der ETH wurde letztes Jahr ein Nasenknorpel in nur 16 Minuten gedruckt. Solche Transplantate könnten einst die Rekonstruktionsmedizin grundlegend verändern. Denn die Abstossungsreaktionen durch den Körper wären geringer, und der körpereigene Ersatz würde – anders als herkömmliche Silikontransplantate – mit dem Patienten mitwachsen.

Die Stabilität der ETH-Knorpeltransplantate wird nun an Tieren getestet. Am Wake Forest Institute fielen solche Tests inzwischen positiv aus: Knorpel- und Muskelgewebe sowie ein Teil eines Kieferknochens wurden hergestellt und unter die Haut von Mäusen und Ratten implantiert. Die Ohren haben ihre Form behalten, ebenso das Muskelgewebe, welches auch Nervenbahnen und Blutgefässe zu bilden begann. Auch der künstliche Kieferknochen, der aus menschlichen Stammzellen gedruckt wurde, hatte nach fünf Monaten im Körper des Tieres vaskuläres Knochengewebe gebildet.

Zwar betonen die Forscher auch hier, dass man «noch Jahre von einer klinischen Anwendung entfernt ist». Doch so oder so ist das die Grundlagenforschung, die es braucht, um zu erkennen, wie man Bioprinter heilend einsetzen kann – auch an komplexen Organen. «Wahrscheinlich wird es bald viele Ansätze geben, bei denen ein unterstützendes Gewebe eingesetzt oder sogar direkt vor Ort gedruckt wird, um im Körper noch zu reifen», so Rimann. Hierbei werde der Körper als Bioreaktor benutzt.

Weniger Tierversuche

Eine der ersten kommerziellen Anwendungen dürfte in der Pharma- und Kosmetikbranche stattfinden. Hier kann am gedruckten Gewebe getestet werden, wie die Inhaltsstoffe auf die Zellen wirken. Zu solchen Zwecken, man spricht vom «Drug Screening», wurde an der ZHAW Haut nahe am Original hergestellt, bestehend aus Leder- und Oberhaut. Dieser Ansatz wird nun in der Kosmetikindustrie weiter verfeinert, um Modelle zu erhalten, die der menschlichen Haut noch ähnlicher sind. Auch Muskel- und Sehnengewebe oder Teile der Niere werden an der ZHAW gedruckt, um in Zukunft Medikamente speditiver testen zu können. Rimann und seine Kollegen arbeiten mit dem Pharmakonzern Novartis zusammen, der erst kürzlich einen Bioprinter angeschafft hat und diesen nun nutzt, um Wirkstofftests zu entwickeln. Die umstrittenen Tierversuche könnten so zumindest reduziert werden. Auch die Konkurrenz Roche hat schon Versuche an gedrucktem Lebergewebe gemacht, um die Toxizität von Medikamenten zu testen.

Auch wenn es heute so scheint, als ob das Fertigen komplett funktionierender Organe ein Wunder der Natur bleiben könnte, so möchte Markus Rimann nicht ausschliessen, dass sich das in ferner Zukunft nicht ändern könnte. Es gebe die Idee, dass ein künstliches Organ gar nicht so aussehen muss, wie es die Natur vorgibt. Sondern dass kleinere Einheiten das Organ lediglich in seiner Funktion imitieren. «Zum Beispiel eine künstliche Bauchspeicheldrüse mit Beta-Zellen in einem gewebeähnlichen Konstrukt, die Insulin produzieren, um den Blutzuckerspiegel zu regulieren.»

Erstellt: 08.03.2016, 07:24 Uhr

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