Bioprinting

Menschliche Organe aus dem Drucker

Mithilfe abgewandelter Drucktechniken lassen sich maßgeschneiderte Gewebe herstellen. Ihnen fehlen aber noch wichtige biologische Funktionen

Es klingt nach Science-Fiction, und ein wenig gruselig ist es auch: Ohrmuscheln, Fingerknochen, Haut oder gar eine Niere aus dem Computerdrucker. Man kann dabei sogar zusehen, wie das künstliche Organ langsam seine Gestalt annimmt. Bioprinting nennt sich die Vision, an der Forscher am Institut für Regenerative Medizin der Wake Forst University im US-amerikanischen Winston-Salem (North Carolina) arbeiten. Mehr als 30 verschiedene Gewebetypen wollen die Forscher nun mithilfe der 3-D-Drucktechnik herstellen. Bislang versorgten sie verletzte Soldaten mit Hautersatz aus dem Labor.

Mit vergleichsweise einfach zusammengesetzten Geweben wie Knorpel-, Knochen- und Muskelgewebe funktioniere das schon recht gut, so James Yoo, Leiter der Bioprinting-Gruppe. Dazu benutzen die Forscher einen umgebauten Tintenstrahldrucker. Ein Computerprogramm steuert Positionierung und Wechsel der Patronen, von denen eine beispielsweise Knorpelzellen enthält.

Ohrmuschel in 45 Minuten

Die beiden anderen sind mit einer gelartigen Flüssigkeit und einem Proteincocktail gefüllt, um Wachstum und Regeneration der Zellen anzuregen. Der Drucker baut Zellschicht um Zellschicht auf, jede etwa so dick wie ein menschliches Haar. Am Monitor lässt sich verfolgen, wie binnen 45 Minuten die Gestalt einer menschlichen Ohrmuschel heranwächst. Sogar den Prototypen einer menschlichen Niere habe man bereits mithilfe des Druckers „konstruiert“, berichtet der Direktor des Forschungsinstituts, Anthony Atala, stolz.

Von einem funktionierenden Organ, das beispielsweise einem Diabetes-Patienten übertragen werden kann, sei man aber noch weit entfernt, räumt der Forscher ein. Die größten Schwierigkeiten liegen nicht in der Drucktechnik, so der Wissenschaftler, sondern in der Biologie: „Wir brauchen einige Wochen Zeit, um die Millionen Zellen zu züchten und zu vermehren, die wir für den Aufbau eines Gewebes oder Organs benötigen.“ Zudem müssten dafür nicht nur die richtigen Zelltypen am rechten Ort positioniert werden. „Sie müssen die Zellen auch dazu bringen, wie beim natürlichen Vorbild ein lebendes Netzwerk zu bilden, das zusammenwächst und die vielen verschiedenen Aufgaben in einem Organ übernimmt“, sagt Yoo.

Auch Will Wenmiao Shu von der Heriot-Watt University im schottischen Edinburgh tüftelt an künstlichen Geweben. Ihm gelang vor Kurzem das Kunststück, einen Drucker zu konstruieren, der die besonders sensiblen menschlichen embryonalen Stammzellen sanft zu kleinen Zellhäufchen zusammenlagert. Embryonale Stammzellen sind bei Bioingenieuren ein begehrter Rohstoff. Die Zellen sind Alleskönner, aus denen sämtliche 200 verschiedenen Gewebe des menschlichen Körpers hervorgehen. Auf die universellen Regenerationskräfte setzen auch die schottischen Forscher bei der Entwicklung von künstlichen Organen. Mithilfe einer speziellen Ventilsteuerung, die Shu an den Düsen seines Druckers installierte, gelang es dem Forscher, kleine Hohlkügelchen, sogenannte Sphäroide, von exakt gleicher Größe aus jeweils ein paar Dutzend embryonalen Stammzellen herzustellen.

Die Zellhäufchen will der Forscher nicht transplantieren, sondern sie zusammen mit dem Unternehmen Roslin Cellab aus Edinburgh als Ausgangsmaterial für tierversuchsfreie Arzneimitteltests weiterentwickeln. Um die räumliche Verteilung der Stoffe zu untersuchen, ist die Entwicklung eines Blutversorgungssystems nötig. „Das ist eine der größten Herausforderungen, vor der wir nun stehen“, sagt Wenmiao Shu.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart scheinen da schon einen Schritt weiter. Sie stellen Blutgefäße mit dem Drucker her. Diese könnten als Bypass, eine Art Umgehungsstraße für verengte Herzgefäße, genutzt werden. Rund 45.000 Bypassoperationen wurden im Vorjahr in Deutschland durchgeführt.

„Kleinlumiger, verzweigter Gefäßersatz steht derzeit nicht zur Verfügung“, sagt Ingenieur Günter Tovar, Projektleiter am IGB, „mit herkömmlichen Verfahren lassen sich die fein verzweigten Kapillargefäße nicht herstellen.“ Das soll sich ändern. Kapillargefäße aus elastischen Biomaterialien fertigen die Forscher mit dem Tintenstrahldrucker und einer dem industriellen Modellbau entlehnten Technik. Das neue Verfahren soll nicht nur medizinische Engpässe beseitigen. „Die biokompatiblen Kapillaren könnten auch Gewebe und Organe außerhalb des Körpers mit Nährstoffen versorgen. Sie werden beispielsweise für Transplantationen und Testsysteme für Medikamente benötigt“, so Tovar.

Sogar künstliche Herzklappen kommen heute schon aus dem Drucker. Forscher an der TU Berlin fertigen sie mithilfe eines gefriertruhengroßen 3-D-Laserdruckers auf der Basis von Computertomografien. Die Röntgenschnittbilder setzt ein Computer zu einem räumlichen Modell zusammen, dessen exakte Geometrie an den Drucker überspielt wird. Nach der Vorgabe verschmilzt dann ein Laser feines Kunststoffgranulat und baut so Schicht für Schicht eine Aortenklappe auf. Diese dient dann als maßgeschneiderte Unterlage, auf der die Forscher menschliche Zellen ansiedeln.