COMPASS MAGAZINE #10
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MENSCHLICHE ORGANE GANZ NACH BEDARF? 3D-Bioprinting als neue Perspektive für Transplantate und Behandlungen

Forscher, die es sich zum Ziel gesetzt haben, dringend benötigte menschliche Organe im Labor zu erschaffen, setzen nun 3D-Drucker für menschliches Gewebe ein.

In einem Labor in San Diego hat ein winziges Stück Lebergewebe mehr als 40 Tage lang Proteine, Enzyme und Cholesterin produziert und damit dieselben Funktionen ausgeführt wie eine komplette menschliche Leber. Aber dieses Gewebe – nur 3 mm² groß und 0,5 mm stark – stammte nicht aus einer menschlichen Leber. Es wurde von einem speziellen 3D­Drucker „angefertigt“ und stellt eine Revolution in der Gewebezüchtung dar.

„Das Verhalten dieses Lebergewebes ähnelt dem einer natürlichen Leber viel stärker als bei allen früheren Versuchen, und deshalb ist es so bedeutsam“, sagt Keith Murphy, CEO von Organovo Holdings Inc., einem im Jahr 2008 gegründeten Unternehmen, das sich auf das 3D­Bioprinting spezialisiert hat. „Die Forschung muss nun fortgeführt und es müssen weitere Daten gesammelt werden, aber die Tatsache, dass sich das Gewebe wie eine Leber verhält, legt den Schluss nahe, dass es auch wie eine echte Leber reagieren wird, wenn man daran Medikamente testet.“

Murphys Begeisterung wird von Forschern in Großbritannien, Frankreich, Deutschland und Japan geteilt. Diese weltweit ansässigen Wissenschaftler verwenden derzeit eine Vielzahl spezieller Computertechnologien, um die Erschaffung menschlicher Körperteile, wie Haut, Blasen, Knochen und Zähne, zu perfektionieren.

Das vorrangige Ziel ist es, Gewebe für die Pharmabranche, die jährlich 50 Milliarden US­Dollar umsetzt, herzu­ stellen, um das in der Medikamenten ­ entwicklung benötigte menschliche Gewebe zu ersetzen. Das ultimative Ziel jedoch ist es, vollständige, funktionstüchtige Organe, wie Lebern, Nieren und Herzen, zu erstellen. Sollte dies den Forschern eines Tages gelingen, ließen sich jedes Jahr viele tausende Leben retten.

„ES WIRD NOCH EINE WEILE DAUERN, BIS DICKE, KOMPLEXE ORGANE HERGESTELLT WERDEN KÖNNEN, ABER GEWEBE, DEREN STÄRKE IN EINER DER DREI RICHTUNGEN IM MILLIMETERBEREICH LIEGT, SIND SCHON FRÜHER REALISIERBAR.”

DRUCKEN MIT ZELLEN STATT TINTE

Das Bioprinting ist eine spezielle Art des computergestützten 3D­Drucks, bei dem aus Kunststoff oder Metall schichtweise ein vorgegebenes Muster entsteht. Diese Schichten werden dann zu kompletten Objekten ver­ schmolzen, die in vielen Bereichen von Schmuck bis hin zu Triebwerken zum Einsatz kommen. Doch beim Bioprinting bestehen die Tröpfchen der „Biotinte“ aus lebenden Zellen mit einem Gel als Bindemittel. Erstaunlicherweise ordnen sich die Zellen – entweder embryonale Stammzellen oder speziell ausgesuchte adulte Stammzellen – selbstständig so an, dass sie dieselben Funktionen erfüllen wie im menschlichen Körper.

Die Idee für das 3D­Bioprinting hatte Makoto Nakamura, derzeit Professor für Biowissenschaften an der Universität von Toyama in Japan. Er erkannte, dass die winzigen Tintentröpfchen, die von einem Tintenstrahldrucker abgesondert werden eine ähnliche Größe besitzen wie menschliche Zellen. Seinen ersten 3D­Bioprinter baute er 2006.

„Wir haben bewiesen, dass sich 3D­Strukturen aus verschiedenen Zellarten erschaffen lassen“, sagt Nakamura. „Mit Erfolg konnten wir zweischichtige Röhren mit unter­ schiedlichen Zelltypen – vaskuläre Endothelzellen innen und glatte Muskelzellen außen – herstellen und so den Aufbau von Blutgefäßen imitieren.“

KEINE ABSTOSSUNG, KEINE TIERVERSUCHE

Am Laser Zentrum Hannover haben Ingenieure menschliches Hautgewebe mit zwei Zelltypen, Fibroblasten und Keratinozyten, in 3D gedruckt. Unter Laborbedingungen wachsen die beiden Zelltypen gemeinsam und bilden menschliches Gewebe nach.

„Wir haben dieses Hauttransplantat an Menschen und auch an Mäusen getestet und es eignet sich sehr gut zum Verschließen von Wunden“, sagt Lothar Koch, Leiter der Gruppe Biofabrikation. Anfangs wird die Haut immundefizienten Mäusen trans­ plantiert, damit das Gewebe nicht abgestoßen wird. Doch das erklärte Ziel laut Koch ist es, zukünftig durch die Verwendung der eigenen Hautzellen eines Patienten Abstoßungsreaktionen zu verhindern.

Bisher waren alle gedruckten lebenden Gewebe äußerst dünn, weil die Forscher noch nicht wissen, wie die inneren Schichten mit Nahrung versorgt werden können. „Wenn das Gewebe dicker sein soll, muss es an Blutgefäße angeschlossen werden, andernfalls sterben die Zellen im Innern ab“, sagt Koch.

5 Milliarden US-Dollar

Mehr als 5 Milliarden US- Dollar gehen jährlich für die Entwicklung neuer Medikamente verloren, weil die Präparate in den spät stattfindenden Tests zur Lebertoxizität durchfallen.

Dickere Haut aus dem Biodrucker käme der Kosmetikbranche, die weltweit jährlich 265 Milliarden US­Dollar umsetzt, sehr gelegen, weil damit neue Beauty­Produkte ohne Tierversuche getestet werden könnten. Darum zählen Kosmetikfirmen auch zu den größten Geldgebern des Bioprintings.

Ein weiterer Nutznießer wird voraussichtlich die pharmazeutische Industrie sein. Jedes Jahr verliert diese Branche 5 Milliarden US­Dollar während der Entwicklung neuer Medikamente, weil die Präparate in den spät stattfindenden Tests zur Lebertoxizität durchfallen.

Murphy geht davon aus, dass seine Firma bis Ende 2014 eine 3D­Leber für Laborzwecke liefern kann. Damit lassen sich die weniger präzisen Tests an Zellen in einer Petrischale, die bereits nach zwei Tagen sterben, ersetzen. Organovo hofft, dass seine 3D­Leber lange genug überlebt, um daran wiederholte Dosen von Medikamenten zu testen und die Investitionen in Präparate, die in späteren Test durchfallen würden, zu reduzieren.

 

VIELE EINSATZMÖGLICHKEITEN

Wissenschaftler der Columbia University in New York City arbeiten derzeit an gedruckten Zähnen und Gelenken, die leichter zu erhalten sind, weil sie nicht mit Nahrung versorgt werden müssen. Das Team hat einen Zahn, bestehend aus einem gedruckten 3D­Grundgerüst, in den Kiefer einer Ratte implantiert. Innerhalb von zwei Monaten hat das Implantat das Wachstum von Zahnwurzelhäuten und neuem Knochen angeregt. Außerdem wurden Kaninchen Hüftbeine aus dem Biodrucker implantiert und die Tiere konnten innerhalb weniger Wochen mit diesen neuen Körperteilen laufen.

Es gibt vier Stufen der Gewebekomplexität. Die einfachste sind flache Strukturen wie die Haut; dann gibt es röhrenförmige Strukturen wie Blutgefäße, gefolgt von Hohlorganen wie dem Magen oder der Blase, und letzendlich die Art, die am kompliziertesten zu reproduzieren ist: komplexe Organe wie Herz oder Niere, die viele verschiedene Arten von Zellen umfassen. Zur Herstellung dieser komplexen Organe müssen die Wissen ­ schaftler herausfinden, wie sie diese durch Blutgefäße unterschiedlicher Größe versorgen können.

„Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten und eine große Nachfrage, besonders in der Pharmabranche“, sagt Murphy. „Es wird noch eine Weile dauern, bis dicke, komplexe Organe hergestellt werden können, aber Gewebe, deren Stärke in einer der drei Richtungen im Millimeterbereich liegt, sind schon früher realisierbar. Solche Komponenten können wir möglicherweise schon in den nächsten fünf Jahren in klinischen Studien einsetzen.“ ◆

von Charles Wallace Zurück zum Seitenbeginn
von Charles Wallace

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