12.06.12

Tissue Engineering

Organ aus der Retorte

Patient lebt ein Jahr mit einer künstlichen Luftröhre.

Foto: Karolinska University Hospital
Luftröhre
Das Gerüst für die künstliche Luftröhre hatten die Mediziner mit Stammzellen des Patienten versehen und in einem Bioreaktor 36 Stunden lang heranwachsen lassen

Dieser Patient war dem Tod näher als dem Leben. Der 36-Jährige litt an einem fortgeschrittenen Speiseröhrentumor. Dieser wuchs trotz intensiver Strahlentherapie auf Golfballgröße und blockierte zunehmend die Luftröhre. Eine Transplantation war die letzte Option für Andemariam Teklesenbet Beyene. Da kein passendes Spenderorgan zur Verfügung stand, formten schwedische Mediziner ein synthetisches Luftröhrengerüst. Dem Patienten gehe es nun, ein Jahr nach dem Eingriff am 9. Juni 2011, weiterhin gut, sagt Paolo Macchiarini, der das OP-Team am Karolinska Universitätskrankenhaus in Stockholm leitete.

Das Gerüst aus einem Nanopolymer hatten die Mediziner mit Stammzellen des Patienten versehen und in einem Bioreaktor 36 Stunden lang heranwachsen lassen. Dieses Labororgan verpflanzten sie dann nach Entfernung des Tumors in einer zwölfstündigen Operation.

Die Prozedur sei erstmals in der Medizingeschichte geglückt, hatte das Karolinska-Institut mitgeteilt. Im November berichtete das britisch-isländisch-schwedische Team um Macchiarini, Beyene führe ein weitgehend normales Leben, er schreibe an seiner Doktorarbeit. Die Operation habe dem Eritreer zudem ermöglicht, seinen mittlerweile sieben Monate alten jüngsten Sohn kennenzulernen.

Weitere Transplantationen geplant

Mittlerweile habe Beyene seine Doktorarbeit auch erfolgreich verteidigt und arbeite als Geologe, ergänzte Macchiarini. Ein im November 2011 mit einem ähnlichen Ansatz operierter Patient sei fünf Monate später gestorben – aber nicht an den Folgen des Eingriffs. Für Juni 2012 seien zwei weitere Transplantationen synthetischer Luftröhren geplant.

Unter der Leitung Macchiarinis waren Patienten vor der Weltpremiere im Sommer 2011 mehrfach Luftröhren toter Spender verpflanzt worden, die von den Zellen der Spender befreit und mit patienteneigenen Stammzellen besiedelt worden waren. Dies soll verhindern, dass das Organ vom Immunsystem des Empfängers abgestoßen wird. Vom sogenannten Tissue Engineering (Gewebezüchtung) erhoffen sich Forscher etliche neue Möglichkeiten für die Transplantationsmedizin.

In einem Kommentar im Medizinjournal "The Lancet" geben Mediziner aus Boston aber zu bedenken, dass sich der langfristige Erfolg der maßgeschneiderten Implantate in den kommenden Jahren erst noch zeigen müsse. Erst dann dürfe eine breitere klinische Anwendung beginnen, notieren Harald Ott vom Massachusetts General Hospital und Douglas Mathisen von der Harvard Medical School. Die Suche nach dem idealen Material und den idealen Bedingungen laufe weiter.

Therapeutisches Klonen

Beim Tissue Engineering wird versucht, natürliche Gewebe im Labor zu züchten und für Transplantationen zu verwenden. Eines der experimentellen Verfahren ist das sogenannte therapeutische Klonen. Fernziel ist die Züchtung komplexer Gewebe und Organe. Derzeit kommen Verfahren des Tissue Engineering etwa bei der Transplantation von Haut, Knorpel und Knochen, Gefäßen und Herzklappen zum Einsatz. Der Forschungsbedarf ist aber noch enorm.

Allein in den USA sterben jährlich 120.000 Menschen an chronischen Lungenkrankheiten, 112.000 an Nierenversagen, 27.000 an Leberleiden und 425.000 an Herzerkrankungen, heißt es in einer kürzlich veröffentlichten "The Lancet"-Studie US-amerikanischer und schwedischer Forscher. Für viele habe sich nicht rechtzeitig ein passendes Spenderorgan gefunden, schreibt das Team um Macchiarini.

Doch auch die herkömmlichen Transplantationen haben Risiken. Die Patienten müssen lebenslang Medikamenten nehmen, die ihr Immunsystem unterdrücken, damit es das fremde Organ nicht abstößt.

"Eigene" Zellen

Bei gezüchteten Geweben gibt es diese Nachteile nicht, weil sie mit Zellen bestückt sind, die der Körper als "eigen" erkennt, heißt es in "The Lancet". Viele Faktoren hätten zu der vielversprechenden Entwicklung des Gebietes in den vergangenen Jahren beigetragen: das größere Verständnis, wie Zellen mit dem Gerüst reagieren, bessere Methoden zur Herstellung einer gut geeigneten Matrix, die schnellen Fortschritte in der Stammzellforschung sowie die Integration von Prinzipien der Entwicklungsbiologie in die regenerative Medizin.

"Die Technologie hat das Potenzial, den Bereich Organtransplantation grundlegend zu verändern", urteilt Wendy Rogers von der Macquarie University (Australien) in einer Reaktion auf den Eingriff vor einem Jahr.

Beim Tissue Engineering wird häufig ein natürliches Gerüst (englisch: scaffold) verwendet, wie es sich in den Organen zwischen den Zellen aus Glycosaminoglycanen und Kollagenen bildet. Es könne je nach Organ und Gewebe vom Patienten stammen oder auch von Verstorbenen.

Herzklappe aus dem Bioreaktor

Das gereinigte Gerüst wird mit Zellen des jeweiligen Patienten besiedelt. Das Wachstum wird über Signalfaktoren geregelt, das synthetische Organ in einem Bioreaktor in einer Nährlösung herangezogen. Prinzipiell sei das Verfahren selbst bei einem so komplexen Organ wie der Lunge vorstellbar, stehe da aber noch ganz am Anfang, schreiben die Forscher um Macchiarini.

Für Herzklappen gibt es bereits klinische Ansätze. Dabei werden Zellen des Patienten isoliert und kultiviert. In einer Art Spritzgussverfahren wird aus Strukturzellen (Myofibroblasten) und Stützelementen aus den Zellzwischenräumen eine Herzklappe hergestellt. Diese reift im Bioreaktor zu einer stabilen Struktur heran. In einem zweiten Schritt wird die Klappe mit Endothelzellen ausgekleidet. Das Produkt wird dem Patienten transplantiert.

Am weitesten fortgeschritten sei die Herstellung von Hautersatz für Patienten mit schweren Verbrennungen, heißt es beim Institut für Molekulare und Zelluläre Anatomie der Universität Regensburg. An zweiter Stelle folge die Generierung patienteneigener Knorpeltransplantate etwa bei Verletzungen oder Operationen im Hals-, Nasen- und Ohrenbereich.

"Hautfabrik" für Testverfahren

Forscher der Fraunhofer-Gesellschaft in Stuttgart haben eine Anlage entwickelt, die Haut züchtet – die "Hautfabrik". Sie soll Testverfahren für Arzneien, Chemikalien oder Kosmetika vergleichbarer und günstiger werden lassen – und Tierversuche unnötig. Sieben Meter lang ist die Maschine des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Hinter Glasscheiben rangieren Roboterärmchen Petrischalen, ritzen Hautproben an, lösen mit Enzymen Zellen aus Hautproben.

Bis die kultivierten Hautmodelle auch für Sicherheitstests etwa bei der Zulassung von Medikamenten als Standardverfahren zugelassen werden, dürften dem Verband Forschender Arzneimittelhersteller (VFA) zufolge aber noch Jahre vergehen.

Bisher ist das Züchten von Ersatzorganen extrem aufwendig. Allein der Schritt, eine natürliche Matrix von den anhängenden Zellen zu säubern, dauere fünf bis sieben Wochen, schreiben die Forscher in "The Lancet". Sie mahnen strenge Vorgaben für die künftigen Verfahren an. Im Sinne des Patienten müsse unbedingt sichergestellt werden, dass klinische Ansätze nur dann verfolgt werden, wenn sie sich als absolut sicher und effizient erwiesen haben.

Unsicherheit bei Stammzellen

So mancher todkranke Patient könnte sich leicht zur Teilnahme an riskanten Studien überreden lassen, befürchten die Mediziner. Und im Rennen um Prestige und mögliche Gewinne drohe der eine oder andere Forscher ohne strenges Regelwerk zu weit vorzupreschen. In absehbarer Zukunft bleibe ohnehin eine herkömmliche Transplantation die bestmögliche Lösung, betonen die Mediziner um Macchiarini.

Große Unsicherheiten gebe es vor allem bei stammzellbasierten Therapien, schreiben Dusko Ilic und Julia Polak vom Imperial College in London in einem "The Lancet"-Kommentar. Derzeit sei die Transplantation von Stammzellen aus Knochenmark oder Blut zur Behandlung von Blutbildungsdefekten möglicherweise die einzig sichere Stammzell-basierte Therapie. Es gelte aber auch, dass Therapien mit von Stammzellen besiedelten Gerüsten heute viel näher lägen als noch vor wenigen Jahren zu hoffen war.

Quelle: Annett Klimpel
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