Haut und Herz aus dem 3D-Drucker: Bioprinting in der Medizin

Passende Schuhe, ein Fahrrad, fehlende Bauteile – das alles wird es in nicht allzu fern­er Zeit schon aus dem 3D-Druck­er geben. Doch Kör­perteile aus­druck­en? Das klingt nun wirk­lich etwas befremdlich – ist aber tat­säch­lich auch bere­its Real­ität. Beim Bio­print­ing sollen Haut, Muskeln und sog­ar Organe aus echt­en Zellen gedruckt wer­den. Bis diese Tech­nik die Medi­zin rev­o­lu­tion­iert, dauert es aber noch.

Kör­perteile auf Knopf­druck – das gibt es in der Medi­zin schon länger. Im 3D-Druck wer­den bere­its chirur­gis­che Implan­tate, Zahn- und Hand­prothe­sen hergestellt – bis­lang aber nur aus syn­thetis­chen Mate­ri­alien wie Kun­st­stoff. Der näch­ste Schritt sind gedruck­te Kör­perteile aus leben­den Zellen. Dabei beste­ht die Her­aus­forderung nicht darin, organ­is­ches Gewebe zu druck­en, son­dern es am Leben zu erhal­ten.

Lebende Zellen aus dem Laser-Drucker

Dafür wer­den derzeit ver­schiedene Tech­niken erprobt. Lothar Koch, Leit­er der Gruppe Bio­fab­rika­tion am Laser Zen­trum Han­nover (LZH), unter­suchte das Ver­hal­ten von Zellen aus dem 3D-Druck­er und weiß: Das Gewebe braucht Blut­ge­fäße, damit die Zellen nicht abster­ben. Angelehnt an eine Tech­nik aus der Solarzellen-Pro­duk­tion entwick­elte er mit seinem Team zunächst einen Laser-3D-Druck­er, der eine so hohe Zelldichte ermöglicht, wie sie in echtem Gewebe vorkommt. Dabei wird durch einen Laser­strahl Dampf­druck erzeugt, der winzige Tropfen eines Hydro­gels auf eine Unter­lage schleud­ert. Dieses Gel ist mit leben­den Zellen angere­ichert und ver­lei­ht dem Gewebe Struk­tur. Tropfen­weise wird so ein drei­di­men­sion­ales Zellmod­ell gedruckt.

Die Formel zum Leben: Versorgungskanäle und eine hohe Zelldichte

Mit der Laser-Tech­nik exper­i­men­tiert auch das franzö­sis­che Unternehmen Poi­etis. Es will die so gedruck­ten Haut­gewebestücke der Phar­ma- und Kos­metikin­dus­trie zu Testzweck­en zur Ver­fü­gung stellen, was das bish­erige Übel von Tierver­suchen eindäm­men würde. Doch der Druck von lebens­fähigem Gewebe scheit­erte bis dato noch immer am Nach­bau eines Blut­ge­fäßsys­tems. Diesem näherten sich die Han­nover Forsch­er mit der Zwei-Pho­to­nen-Poly­meri­sa­tion, ein­er Präzi­sion­stech­nik zur Her­stel­lung hochau­flösender Gewebe­struk­turen. Dabei entste­hen durch die Laser-Stim­u­la­tion von Molekülen feine Nis­chen im Bio­ma­te­r­i­al. So druck­te das LZH-Team bere­its Herz­muskelzellen, die kurz nach dem Druck noch geschla­gen haben sollen.

Lebendes Gewebe aus dem Tintenstrahldrucker

Gewe­bezellen über län­gere Zeit am Leben zu erhal­ten gelang US-Forsch­ern vom Wake For­est Bap­tist Med­ical Cen­tre im Bun­desstaat North Car­oli­na mit ein­er anderen gängi­gen Meth­ode beim Bio­print­ing. Der Inte­grat­ed Tis­sue-Organ Print­er (Itop) arbeit­et ähn­lich wie ein Tin­ten­strahldruck­er – nur mit spezieller Bio-Tinte. Sie beste­ht aus einem abbaubaren Kun­st­stoff und Hydro­gel, das lebende Zellen enthält. Bei dieser soge­nan­nten Inkjet-Tech­nik kom­men in der Regel zwei Patro­nen zum Ein­satz: Eine Drüse sprüht die zäh­flüs­sige Träger­schicht als Gewe­begerüst auf, aus der anderen wer­den die Zellen gespritzt. So wächst das Gewebe Schicht für Schicht, das Kun­st­stof­fgerüst baut sich später ab und wird durch Pro­teine erset­zt. Entschei­dend ist, dass schon beim Gewe­beauf­bau feine Kanäle eingear­beit­et wer­den, worüber die Zellen mit Sauer­stoff und Nährstof­fen ver­sorgt wer­den.

Es lebt und gedeiht – zumindest für sechs Wochen

Mit dieser Tech­nik ist es kür­zlich Wis­senschaftlern vom Wyss-Insti­tut an der Har­vard Uni­ver­sität in Boston gelun­gen, ein fin­gerdick­es Gewebestück herzustellen, das mehr als sechs Wochen über­lebte. Der Gefäßab­stand betrug allerd­ings drei Mil­lime­ter – zu viel, meint Lothar Koch, da Nährstoffe und Sauer­stoff per Dif­fu­sion nur ein paar 100 Mikrom­e­ter trans­portiert wer­den kön­nen. Unbrauch­bar ist die Entwick­lung des Wyss-Teams aber nicht. So sei es mit weit­er­er Forschung möglich, aus den Gefäßen kleinere Äderchen her­auss­prießen zu lassen, um alle Zellen im Gewebe zu ver­sor­gen.

Beeindruckende 3D-Drucke: Fortschritt durch Prototypen

Das über­ge­ord­nete Ziel der Forscher­grup­pen weltweit ist ein Ver­fahren, mit dem sich  trans­plantier­bare Kör­perteile und sog­ar funk­tions­fähige Organe druck­en lassen. Dabei gibt es jede Menge Fortschritte, bis­lang jedoch nur in Form von Pro­to­typen: So druck­ten Wis­senschaftler der Hangzhou Uni­ver­sität in Chi­na bere­its organ­is­ches Knor­pel­gewebe. Forsch­er der Wake-For­est-Uni­ver­si­ty exper­i­men­tieren mit einem Ver­fahren, bei dem sich Gewebe direkt auf den Kör­p­er druck­en lässt, um Wun­den zu repari­eren. Dem US-Unternehmen Organo­vo ist es gelun­gen, funk­tionales Mikro­gewebe ein­er Leber zu druck­en und Wis­senschaftler der Uni­ver­si­ty Louisville in Ken­tucky kündigten das ehrgeizige Ziel an, schon in den näch­sten zehn Jahren ein funk­tions­fähiges Herz druck­en zu wollen.

Bioprinting von Organen – ein Meilenstein der Medizin

Die Pläne sind ambi­tion­iert, bis­lang gibt es aber kein gedruck­tes Kör­perteil aus echtem Gewebe, das einem Men­schen verpflanzt wer­den, geschweige denn die kom­plex­en Funk­tio­nen eines Organs übernehmen kön­nte. Die Trans­plan­ta­tion maßgeschnei­dert­er Kör­perteile, die aus Eigen­zellen der Patien­ten gedruckt wer­den, ist die Königs­diszi­plin des medi­zinis­chen Bio­print­ing. Mit diesem Meilen­stein kön­nte das glob­ale Prob­lem man­gel­nder Spenderor­gane gelöst wer­den, weltweit wäre die medi­zinis­che Ver­sorgung rev­o­lu­tion­iert und die Kosten im Gesund­heitssys­tem wür­den drastisch sinken.

Bio­print­ing ist ein Zukun­fts­markt mit großen Visio­nen und viel Poten­zial. Trotz all der Fortschritte ste­ht dieser Forschungs­bere­ich aber noch ganz am Anfang. Die meis­ten Wis­senschaftler sind sich darin einig, dass es möglich ist, funk­tions­fähige Organe zu druck­en, aber auch in der Tat­sache, dass es dafür noch Jahrzehnte brauchen wird. Die Rede ist von 30 bis 40 Jahren.

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