Erstes Herz aus dem 3D-Drucker: Herz- und Gefäßzellen als „Tinte“
Spenderorgane sind rar. Deshalb versuchen Wissenschaftler, per 3D-Druck für Ersatz zu sorgen. Nun ist es israelischen Forschern erstmals gelungen, das menschliche Herz mit Blutgefäßen aus Zellen eines Patienten herzustellen.
Ein per 3D-Druck hergestelltes kleinformatiges menschliches Herz.
Foto: University Tel Aviv
Laut Zahlen von Eurotransplant, der Vermittlungsstelle für Organspenden in den Benelux-Ländern, in Deutschland, Österreich, Slowenien, Kroatien und Ungarn, warten etliche Menschen auf lebensrettende Organe. Zuletzt fehlten 10.663 Nieren, 1.108 Herzen, 709 Lungen und 1.631 Lebern. Wie viele Patienten sterben, bevor sie Organe bekommen, ist nicht bekannt. Die Lage bleibt aber angespannt. Hier sehen Biotechnologen Einsatzmöglichkeiten für den 3D-Druck. Doch wo stehen wir aktuell?
Bislang arbeiten Ärzte vor allem mit toten Materialien. Mitte März transplantierten sie erfolgreich ein Mittelohr. Zuvor hatten sie die wichtigsten Knöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel per 3D-Druck aus Titan hergestellt. Teile der Schädeldecke oder der Kieferknochen kamen auch schon zum Einsatz, wobei neben Edelmetallen vor allem Biokunststoffe verwendet werden.
Die Werkstoffe sind inert. Sie führen anders als Spenderorgane oder Organe aus fremden Zellen nicht zu Abstoßungsreaktionen. Dieses Problem lösten israelische Biotechnologen jetzt, indem sie Organe aus patienteneigenen Zellen aufbauen.
3D-Druck des Herzens mit Zellen des Patienten
Im ersten Schritt entnahmen Forscher per Biopsie Fettgewebe eines freiwilligen Versuchsteilnehmers. Im Labor wandelten sie diese Fettzellen in Stammzellen um. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) lassen sich aus nahezu allen Körperzellen durch „Umprogrammierung“ gewinnen. Unter geeigneten Bedingungen wandeln sich iPS-Zellen in diverse Gewebetypen um. Als „Tinte“ für den 3D-Druck kam ein Hydrogel aus diversen biologischen Makromolekülen zum Einsatz. Schließlich waren Experimente mit Kollagen und Glykoproteinen, das sind Eiweiß-Zucker-Verbindungen, erfolgreich. Beide Komponenten kamen ebenfalls von Spendern.
Aus iPS-Zellen entstanden schließlich zwei unterschiedliche „Tinten“, nämlich mit Herzmuskel- und mit Endothelzellen. Beide kamen im 3D-Druckverfahren zum Einsatz – Schicht für Schicht baute ein Drucker das Herz auf Basis von Daten aus der Bildgebung auf und untersuchte seine Eigenschaften.
Kaum Abstoßungsreaktionen zu befürchten
Das Herz selbst hat nicht die normale Größe. Seine Ausmaße entsprechen eher dem Herz eines Fötus. Außerdem schlägt das Herz nicht. Doch die jetzt veröffentlichten Ergebnisse haben mehrere Besonderheiten. Wissenschaftler bauten organähnliche Strukturen einzig und allein aus Patientenmaterialien auf. „Die Biokompatibilität von technischen Materialien ist entscheidend, um das Risiko einer Abstoßung von Implantaten zu vermeiden, was den Erfolg solcher Behandlungen gefährdet“, sagt Tal Dvir. Er arbeitet an der Tel Aviv University und leitete alle Experimente. „Idealerweise sollte das Material die gleichen biochemischen, mechanischen und topografischen Eigenschaften wie das patienteneigene Gewebe besitzen.“ Dvir zeigt auch, dass sich mit unterschiedlichen „Tinten“ diverse Feinstrukturen herstellen lassen. Menschliche Organe sind komplex, sie bestehen aus Dutzenden unterschiedlicher Zellen.
Die Forscher planen nun, gedruckte Herzen im Labor zu kultivieren und mehr über ihre elektrophysiologischen Eigenschaften zu lernen: Unter welchen äußeren Einflüssen verändern sich Herzmuskelzellen so, dass sie Feinstrukturen des Herzens bilden, beispielsweise einen Sinusknoten? Anschließend wollen sie die Organe im Tierexperiment testen. Dvir zufolge sei es möglich, mit dem gleichen Verfahren auch Herzen in normaler Größe herzustellen.
Organflicken aus dem 3D-Drucker
Die Autoren weisen auf die Potenziale ihres Verfahrens hin, das sich deutlich rascher umsetzen lässt, verglichen mit dem Aufbau kompletter Organe. Über biokompatible Materialien und 3D-Druck-Verfahren könnte man recht bald sogenannte „Patches“, sprich Flicken aus lebendem Gewebe herstellen. Ein „cardiac patch“ mit Herzmuskelzellen eignet sich beispielsweise, um nach einem Herzinfarkt zerstörte Bereiche zu ersetzen. Das Herz wird repariert, aber nicht ersetzt. Dank der neuen Technik sei mit einem schnellen, komplikationsarmen Anwachsen zu rechnen, so Dvir. Immerhin gehören Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu den häufigsten Leiden. Hautgewebe könnte sich ebenfalls eignen, um Transplantate zur Behandlung verbrannter Regionen herzustellen.
Langfristig setzen die israelischen Wissenschaftler große Hoffnungen in ihr Verfahren. „In zehn Jahren wird es vielleicht Organdrucker in den besten Krankenhäusern der Welt geben und diese Verfahren werden routinemäßig durchgeführt“, hofft Dvir. Über knappe Spenderorgane müsste sich dann kein Arzt mehr Gedanken machen.
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