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Tissue Engineering: Gewebe aus dem Drucker

MEDIZIN

 
Tissue Engineering

Gewebe aus dem Drucker


Von Silke Kerscher-Hack / Spenderorgane sind selten. Warum sich nicht die benötigten Organe einfach ausdrucken? Das klingt wie ein futuristischer Traum. Doch genau dies könnte – wie Forscher hoffen – bald Realität sein.

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Allein in Deutschland warten derzeit etwa 12 000 Menschen auf ein Spenderorgan. Nicht jedem kann jedoch eines vermittelt werden. Für die Patienten auf den Listen bedeutet dies Warten und Hoffen. Jeden Tag sterben etwa drei von ihnen, ohne dass ein passendes Organ gefunden wurde. Viele Forscher setzen daher ihre Hoffnung auf Tissue Engineering – die künstliche Herstellung von Ersatzorganen.




Ein funktionsfähiges künstliches Ohr haben Forscher der Universität Princeton entwickelt: Zuerst druckten sie ein 3-D-Modell aus Hydrogel und Kalbs-Zellen aus. Für das Gehör sorgt eine integrierte Antenne, die über Elektroden mit Nerven verbunden werden kann. Das bionische Ohr kann Frequenzen wahrnehmen, die dem menschlichen Gehör verborgen bleiben.

Foto: Princeton University


Zuchtknorpel, Harnblasen und Harnröhren werden bereits mithilfe der gängigen Tissue-Engineering-Verfahren hergestellt und implantiert. Sogar die erfolgreiche Transplantation einer Luftröhre aus Kunstfasern, die mit Blut-Stammzellen aus dem Knochenmark überzogen wurde, ging kürzlich durch die Medien. Im Gegensatz zur Organtransplantation von Mensch zu Mensch werden Abstoßungsreaktionen bei den so hergestellten Organen vermieden. Durch den Einsatz neuartiger Verfahren wie den dreidimensionalen Druck erhoffen sich Forscher neue Möglichkeiten beim künstlichen Gewebeaufbau.

 

Mit einem 3-D-Drucker lassen sich unterschiedliche Materialien und Zellen exakt positionieren. Forscher um Tao Xu vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in Winston-Salem haben auf diese Weise ein besonders widerstandsfähiges Knorpelgewebe erschaffen. Hierfür druckten sie solange abwechselnd feine Polymerfäden und Knorpelzellen aus, bis eine Dicke von 0,4 Millimetern erreicht wurde. Dieses Kunstgewebe implantierten sie Mäusen. Nach acht Wochen bildet es Eigenschaften eines natürlichen Knorpels aus, berichten die Forscher im Fachjournal »Biofabrication« (doi: 10.1088/1758-5082/5/1/015001). Angesichts der Tatsache, dass in Deutschland bereits mehrere hundert Zuchtknorpel jährlich verpflanzt werden, erscheint dies als nichts Besonderes. Doch das bisher verpflanzte Kunstgewebe besitzt einen Nachteil: Es weist nicht die Stabilität des Originals auf. Dank der Polymerfäden ist es nun gelungen, ein Gewebe herzustellen, das ähnliche mechanische Eigenschaften und eine Belastbarkeit wie echter Knorpel hat.

 

Ein weiterer Grund für den Einsatz von 3-D-Druckern ist, dass exakte Abbildungen von Körperteilen angefertigt werden können. So stellten amerikanische Wissenschaftler um Alyssa Reiffel vom Weill Cornell Medical College in New York ein komplettes Ohr aus echtem Gewebe her. Zum Aufbau fertigten sie als Erstes einen 3-D-Scan eines Ohrs an. Dieser diente als Vorlage für den Drucker, ein dreidimensionales, hohles Ohr aus Kunststoff zu erzeugen. Diese Form wurde mit Knorpelzellen und Kollagen gefüllt. Nach mehreren Bearbeitungsschritten entstand so ein künstliches Ohr, das von einem echten kaum zu unterscheiden war, berichten die Forscher im Fachjournal »PLoS one« (doi: 10.1371/journal.pone.0056506). Das Ohr wurde bislang nur erfolgreich auf Ratten verpflanzt. Die Forscher hoffen, mit dieser Methode bald Kindern, die ohne Ohrmuscheln zur Welt gekommen sind, helfen zu können.

 

Komplexe Organe erzeugen

 

Zuchtknorpel, Ohrmuscheln und auch Harnröhren gehören zu den einfacher gebauten Organen. Mehr Probleme beim Nachbau bereiten komplexere wie Leber, Lunge oder Herz, die aus unterschiedlichen Zelltypen und verzweigten Adersystemen bestehen. Fehlen bei einem dreidimensionalen Gewebe Blutgefäße, so entwickelt es schnell einen nekrotischen Kern und stirbt ab. Um diesen Untergang zu verhindern, schufen Forscher um Christopher Chen von der University of Pennsylvania in Philadelphia ein »Netzwerk aus Räumen«, das später innerhalb des Gewebes liegen soll und für die Ansiedlung von Blutgefäßen gedacht ist. Dieses Gerüst wurde von einem 3-D-Drucker aufgebaut. Der Baustoff ist »Kohlenhydrat-Glas«, ein Gemisch aus verschiedenen Zuckern. Später umgaben die Forscher das Gerüst mit lebenden Zellen und lösten es dann auf. Ein großer Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist, dass dieser letzte Schritt im Zellmedium durchgeführt werden kann. Als Ergebnis haben die Forscher eine Struktur aus zukünftigen Blutgefäßen und Gewebe erhalten, heißt es in der Veröffentlichung in »Nature Materials« (doi: 10.1038/NMAT3357). Doch wäre es wohl denkbar, mit diesem Verfahren auch »dickes« Gewebe wie eine Leber herzustellen.




3-D-Drucker, wie hier von der Firma Organovo, können Stützmaterialen wie Hydrogel und lebende Zellen verschiedener Typen Schicht für Schicht aufeinandersetzen. So entsteht eine dreidimensionale Struktur: künst­-liche Organe im Miniaturformat.

Foto: Organovo


Ein ähnliches Ziel, nämlich die Produktion transplantationsfähiger Organe, hat sich Organovo gesetzt. Das US-amerikanische Unternehmen entwickelte einen 3-D-Drucker, mit dem es eine Mini-Leber erschuf. Das Kunstgewebe weist zwar nur einen Durchmesser von 4 mm sowie eine Dicke von 0,5 mm auf, dennoch funktioniert es wie eine richtige Leber. Es produziert zum Beispiel Albumin und Cholesterol und zeigt eine induzierbare Cytochrom-P450-Enzymaktivität. Die für den Aufbau benötigten Zellen stammen entweder von Stammzellen oder aus der menschlichen Leber. Sie werden speziell präpariert und in den 3-D-Drucker gegeben, der sie Schicht für Schicht in eine vorgegebene Form setzt. Anschließend können sich die Zellen zu einem funktionierenden Gewebe verbinden. Neben der Mini-Leber hat Organovo bereits kleine Gewebeproben künstlicher Muskeln, Lungen- und Herzgewebe sowie Blutgefäße hergestellt, die sich vor allem für Labortests eignen.

 

Sowohl Organovo als auch die Forscher der bereits vorgestellten Verfahren verwenden beim Druckvorgang bereits ausdifferenzierte Zellen. Anders die schottischen Wissenschaftler um Alan Faulkner-Jones von der Heriot-Watt University in Edinburgh. Sie entschieden sich für den Einsatz von em­bryonalen Stammzellen. Diese sind zwar gegenüber physikalischen Einwirkungen empfindlicher als andere Zelltypen, haben jedoch auch einen entscheidenden Vorteil: Sie können sich in eine große Zahl von Zellarten oder Geweben ausdifferenzieren. Um die empfindlichen Zellen verarbeiten zu können, entwickelten die Forscher einen speziellen Tintenstrahldrucker, den sie im Fachjournal »Biofabrication« (doi: 10.1088/1758-5082/5/1/015013) vorstellen. Mit diesem können sie Tröpfchen, die aus einer Mischung aus sogenannter Biotinte und Stammzellen bestehen, präzise auf bestimmte Positionen setzen. Anschließend verbinden sich die Zellen und wachsen zu Aggregaten heran. Mit dieser Methode stellten die Forscher Sphäroide, kleine kugelige Gebilde, her. Das Besondere an diesem Verfahren: Es ist besonders schonend. Die empfindlichen Stammzellen konnten trotz des Druckvorgangs am Leben gehalten werden.

 

Aber nicht nur lebende Zellen können ausgedruckt werden. Wie Forscher um Hagan Bayley von der Oxford University kürzlich im Fachjournal »Science« (doi: 10.1126/science.1229495) berichten, ist es auch möglich, mithilfe des 3-D-Drucks eine Art künstliches Gewebe zu erschaffen, das wie ein lebendes agiert. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk aus bis zu 35 000, mit einem Lipidfilm umhüllten Wassertropfen, die durch Einsprühen von Wassertröpfchen in größere Öltropfen hergestellt werden. Die so entstandene Masse enthält zwar keine DNA, ist aber imstande, einige Zellprozesse wie das Weiterleiten von elektrischen Signalen nachzuahmen. Möglich wird dies aufgrund von Poren. Bedingt durch Osmoseprozesse führt das Kunstgewebe auch Formänderungen und Bewegungen aus, wie etwa ein flach ausgedrucktes Netzwerk, das sich zu einer kugelförmigen Struktur verformt. Laut den Forschern könnte das Wassertröpfchen-Netzwerk als Transportvehikel für Medikamente genutzt werden.

 

Mit der neuen 3-D-Druck-Technologie erschaffenes Gewebe könnte erst mal Verwendung bei der Arzneimitteltestung finden. Wirkstofftests ließen sich hiermit deutlich genauer und ohne Tierversuche durchführen. Doch die Hoffnung der Forscher ist es, mit 3-D-Druckern künftig auch komplette Organe erzeugen zu können, die transplantiert werden und Patienten auf den Organspenderlisten helfen könnten. /



Beitrag erschienen in Ausgabe 22/2013

 

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