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Experimente mit Ratten: Mediziner züchten erstmals künstliche Lunge

Von Cinthia Briseño

Durchbruch der regenerativen Medizin: Zwei Forschergruppen aus den USA ist es gelungen, künstliche Lungen zu züchten und in Ratten zu verpflanzen. Nach kurzer Zeit begannen die Organe zu atmen. Für Patienten mit unheilbaren Lungen könnte das zähe Warten auf ein Spenderorgan so ein Ende haben.

Gewebezucht: Künstliche Rattenlungen, die atmen Fotos
Harald C Ott

Sie sind in den besten Jahren, und doch fehlt ihnen für die einfachsten Dinge im Leben die Luft: Menschen, die an der erblichen Mukoviszidose leiden, können mitunter kaum gehen, Treppensteigen ist eine Höllenqual, und selbst Zähneputzen können sie nur keuchend bewältigen.

In schweren Fällen sichert nur ein Sauerstoffgerät, das sie Tag und Nacht bei sich tragen, ihr Überleben. Denn ein zäher Schleim, den ihr Körper produziert, verstopft Lunge und Bronchien. Bakterien und Viren haben ein leichtes Spiel - und früher oder später ist die Lunge vom Kampf gegen die Krankheit derart geschwächt, dass nur noch eine letzte Hoffnung bleibt: die Spenderlunge.

Was aber geschieht, wenn die Warteliste zu lang ist und jeder Tag zählt? Seit vielen Jahren kennt die Medizin eine visionäre Antwort darauf: Künstliche Organe. Jetzt ist Medizinern in den USA ein wichtiger Durchbruch in diesem Bereich gelungen: Gleich zwei Forschergruppen haben es geschafft, eine künstliche Rattenlunge aus organischem Material zu züchten. Anschließend verpflanzten sie die Lunge in Ratten - die damit atmen konnten.

Einer der beiden Gruppen ist das Team um den Österreicher Harald Ott vom Massachusetts General Hospital in Boston. Er arbeitet mit dem berühmten Pionier der Gewebezucht ("Tissue Engineering") Joseph Vacanti zusammen, der für Furore sorgte, als er einer Maus eine ohrförmige Struktur auf den Rücken pflanzte - das Foto ging um die Welt.

In der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Nature Medicine" berichten die Mediziner nun, wie es ihnen gelungen ist, eine Lunge zu züchten, die vollständig aus natürlichen Ressourcen bestand. Für das biologisch-künstliche beziehungsweise bioartifizielle Organ, wie die Experten es nennen, nutzten sie die sogenannte Dezellularisierung. Erst vor wenigen Wochen hatten Thomas Petersen und seine Kollegen von der Yale University in New Haven ähnliche Erfolge mit der gleichen Methode vermeldet, und diese im Wissenschaftsjournal "Science" veröffentlicht.

Waschen bis zum blanken Gewebegerüst

Mit einer Waschlösung werden bei diesem Verfahren sämtliche Zellen aus einem Organ entfernt. Übrig bleibt nur ein Gerüst, die sogenannte Matrix, aus Proteinen und Kohlenhydraten. Anschließend besiedeln die Gewebezüchter die Matrix erneut mit Zellen. Wenn alles gut läuft, wachsen diese nicht nur an dem Gerüst fest und wuchern zu größeren Zellkstrukturen, sondern bilden letztlich ein neues funktionstüchtiges Organ, in diesem Fall eine Rattenlunge.

Schon vor einigen Jahren hatte der Gewebezüchter Ott für Aufsehen gesorgt, als es ihm gelungen war, auf diese Weise ein künstliches, schlagendes Rattenherz zu züchten. Es war also nur eine Frage der Zeit, bis diese Methode auch bei anderen Organen zum Erfolg führen würde.

"Das ist ein sehr erfolgversprechender Ansatz", sagt Christian Hess im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Hess ist Experte für bioartifizielle Lungen und arbeitet am Lebao, dem Leibniz Research Laboratories for Biotechnology and Artificial Organs an der Medizinischen Hochschule Hannover.

Die Suche nach geeigneten Zellen

Weltweit leben Schätzungen zufolge 25 Millionen Menschen mit einer chronischen Lungenerkrankung. Allein in den USA sterben 120.000 Patienten jährlich, weil das Organ nicht mehr geheilt werden konnte. In Deutschland standen 2009 etwa 600 Patienten auf der Warteliste für eine Lungentransplantation, doch nur in etwa 200 Fällen konnte der Eingriff vorgenommen werden. Brauchbare Organe fehlen. Oft werden die Lungen zu stark beschädigt bis der Hirntod beim Spender eingetreten ist, und sie ihm entnommen wird.

Für Betroffene könnte die neue medizinische Sensation eines Tages die Rettung sein. Doch Hess warnt vor Euphorie. Die Notwendigkeit für die Entwicklung eines geeigneten Organersatzes für die geschädigte Lunge stehe zwar außer Frage. Allerdings gebe es noch einige wichtige Hürden zu überwinden. Nicht nur, dass es sich bei den künstlichen Lungen bisher nur um Rattenorgane handele. "Ich glaube, eines der größeren Probleme wird es sein, die notwendigen Zellen für die komplette Rebesiedlung bereitzustellen", sagt Hess.

Ein Organgerüst mit Zellen des Patienten zu beimpfen, um daraus ein vollwertiges Transplantat zu erhalten, das die erkrankte Lunge heilen kann, ist im Prinzip der richtige Weg. Doch noch wissen die Forscher nicht, wie man die dafür notwendigen Zellen in ausreichender Quantität und Qualität herstellen kann. Eine große Hoffnung ruht auf den Erkenntnissen der Stammzellforschung. Aber auch dort steht man noch am Anfang und ist von der praktischen Anwendung Jahre entfernt.

Doch prinzipiell besteht die Hoffnung, dass man eines Tages tatsächlich komplexe Strukturen wie die menschliche Lunge und andere lebenswichtige Organe herstellen kann. Die künstlichen Rattenlungen von Ott und seinen Kollegen haben nach der Transplantation sechs Stunden lang funktioniert und erfolgreich den Gasaustausch betrieben. Allerdings verpflanzten die Forscher nur eine Lungenhälfte. Und sechs Stunden reicht für ein ganzes Leben noch lange nicht aus.

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1. Es ist gelungen, KÜNSTLICHE Lungen - zu ZÜCHTEN?
FXRichter 13.07.2010
Zitat von sysopDurchbruch der regenerativen Medizin: Zwei Forschergruppen aus den USA ist es gelungen, künstliche Lungen zu züchten und in Ratten zu verpflanzen. Nach kurzer Zeit begannen die Organe zu atmen. Für Patienten mit unheilbaren Lungen könnte das zähe Warten auf ein Spenderorgan so ein Ende haben. http://www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/0,1518,706190,00.html
KÜNSTLICHE Lungen - zu ZÜCHTEN? Sind das wirklich künstliche Lungen? Oder natürliche Ersatzlungen? Wie steht es übrigens mit wirklich künstlichen Lungen? D.h. mit implantierten Geräten, die im Körper Sauerstoff in das Blut pressen? Hat man das je versucht und mit welchem Erfolg?
2. Endlich...
juggs 13.07.2010
.... kann ich beruhigt weiter rauchen
3. ---
Poisen82, 13.07.2010
Ich verstehe das bisherige Problem nicht, wenn eine neue Lunge in diesen Brutreaktoren wachsen kann und funktionsfähig ist und bleibt, dann könnten doch auch normale Lungen darin aufbewahrt werden und für längere Zeit verwahrt. Das müsste doch die Zahl der Organverluste aufgrund eines zu langen Transportweges minimieren können.
4.
kaitou1412 13.07.2010
Bitte auch an Knochen, Haut, Haare und Nieren denken. Nicht an Leber oder Lungen, die Raucher und Säufer haben es sich selbst zuzuschreiben. (Ausnahmen)
5. Hoffnung für alle
wanderprediger, 14.07.2010
Zitat von kaitou1412Bitte auch an Knochen, Haut, Haare und Nieren denken. Nicht an Leber oder Lungen, die Raucher und Säufer haben es sich selbst zuzuschreiben. (Ausnahmen)
Ja, Raucher und Säufer sind für ihren Gesundheitszustand selbst verantwortlich, aber was ist mit all den anderen Krankheiten, für die niemand etwas kann? Z.b. Menschen mit Mukoviszidose -wie schon im Bericht erwähnt-, wollen sie über diese Personen richten? Ihre Einstellung ist krank! Auch bei Haut kann man selber verantwortlich sein, zu lange im Solarium oder am Ballermann gelegen u.s.w.. Schön wenn man zukünftig allen Menschen helfen und heilen kann.
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Stammzellen - die Multitalente
Embryonale Stammzellen (ES)
AFP
Sie gelten als die zellulären Alleskönner: Reift eine befruchtete Eizelle zu einer Blastozyste, einem kleinen Zellklumpen, heran, entsteht in deren Inneren eine Masse aus embryonalen Stammzellen. Die noch nicht differenzierten Stammzellen können sich zu jeder Zellart des menschlichen Körpers entwickeln. Voraussetzung ist, dass sie mit den richtigen Wachstumsfaktoren behandelt werden.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. Aus den dabei entstandenen maßgeschneiderten Stammzellen züchteten sie erfolgreich verschiedene Körperzellen. Diese Methode ist nicht nur elegant, sondern auch ethisch unbedenklich, da dabei kein Embryo hergestellt und zerstört wird. Allerdings birgt die Methode noch Risiken, weil für das Einschleusen der Gene Viren benötigt werden. Die Gene werden vom Virus verstreut im Genom eingebaut, wichtige Gene der Zelle können dabei beschädigt werden, die Zelle kann entarten. Es besteht Krebsgefahr. Zudem bauen auch die Viren ihr Erbgut ein. Forschern gelang jedoch mittlerweile die Reprogrammierung ohne Viren und mit anschließender Entfernung der Gene.
Proteininduzierte pluripotente Stammzellen (piPS)
Zellen reprogrammieren - nur durch Zugabe von Molekülen und ohne Veränderung des Erbgutes. Dies gelang Forschern erstmals im April 2009. Damit räumten sie potentielle Risiken aus, die das Einschleusen der Reprogrammiergene barg.
Keimbahn abgeleitete pluripotente Stammzellen (gPS)
Keimbahn-Stammzellen können normalerweise nur Spermien erzeugen. Aber man kann sie auch in pluripotente Stammzellen verwandeln. Diese "germline derived pluripotent stem cells" (gPS) bieten ein großes Potential, denn ihr Erbgut ist noch relativ unbeschädigt. Forschern gelang die Verwandlung an Hodenzellen von Mäusen - nur durch ganz bestimmte Zuchtbedingungen.
Adulte Stammzellen
Nicht nur Embryonen sind eine Quelle der Zellen, aus denen sich verschiedene Arten menschlichen Gewebes entwickeln können. In etwa 20 Organen inklusive der Muskeln, der Knochen, der Haut, der Plazenta und des Nervensystems haben Forscher adulte Stammzellen aufgespürt. Sie besitzen zwar nicht die volle Wandlungsfähigkeit der embryonalen Stammzellen, bereiten aber auch keine ethischen Probleme: Einem Erwachsenen werden die adulten Stammzellen einfach entnommen und in Zellkulturen durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren so umprogrammiert, dass sie zu den gewünschten Gewebearten heranreifen.
Ethik und Recht
Die Stammzellforschung birgt ethische Konflikte. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, die entweder eigens hergestellt werden oder bei künstlichen Befruchtungen übriggeblieben sind. Dabei wird der Embryo zerstört. Die Argumentation der Befürworter: Die Embryonen würden ohnehin vernichtet. Kritiker sprechen dagegen von der Tötung ungeborenen Lebens. In Deutschland ist das Herstellen menschlicher Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verboten. In Ausnahmefällen erlaubt das Gesetz aber den Import von Stammzellen, die vor dem 1. Mai 2007 hergestellt wurden. In Großbritannien und Südkorea ist das therapeutische Klonen ausdrücklich erlaubt, ebenso in den USA.
Chronik der Stammzellforschung
1998 - Embryonale Stammzellen
Die internationale Stammzellforschung hat sich seit 1998 extrem rasch entwickelt. Der US-Forscher James Thomson gewann damals weltweit erstmals embryonale Stammzellen aus übriggebliebenen Embryonen von Fruchtbarkeitskliniken. Sie galten sofort als Hoffnungsträger, um Ersatzgewebe für Patienten mit Diabetes, Parkinson oder anderen Erkrankungen zu schaffen. Die Technik ist aber ethisch umstritten, da dafür Embryonen zerstört werden müssen. In Deutschland ist sie verboten. Seitdem suchen Forscher nach ethisch unbedenklichen Wegen.
2006 - Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Im August 2006 präsentieren die Japaner Kazutoshi Takahashi und Shinya Yamanaka eine erste Lösung. Sie versetzen Schwanzzellen von Mäusen mit Hilfe von vier Kontrollgenen in eine Art embryonalen Zustand zurück. Das Produkt nennen sie induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Der Nachteil: Die eingesetzten Gene können das Krebsrisiko bei einem späteren medizinischen Einsatz erhöhen.
2007 - Menschliche iPS-Zellen
Im Jahr 2007 gibt es entsprechende Erfolge mit menschlichen Hautzellen. Nach und nach können die Forscher auf ein Kontrollgen nach dem anderen verzichten, um die iPS-Zellen herzustellen.
Februar 2009 - Nur noch ein Reprogrammier-Gen
Im Februar 2009 präsentiert der Münsteraner Professor Hans Schöler iPS-Zellen von Mäusen, die er nur mit Hilfe eines Kontrollgens aus Nervenstammzellen gewonnen hatte.
März 2009 - Reprogrammier-Gene entfernt
Anfang März 2009 stellen zwei Forscherteams schließlich iPS-Zellen vor, die keinerlei Kontrollgene mehr im Erbgut enthalten. Sie hatten die Kontrollgene in das Erbgut von menschlichen Hautzellen eingefügt und nach der Arbeit wieder aus dem Erbgut herausgeschnitten.
März 2009 - Reprogrammier-Gene nicht im Erbgut
Ende März 2009 veröffentlicht der US-Forscher James Thomson eine Arbeit, bei der er die Kontrollgene nicht einmal mehr ins Erbgut der Zellen einschleusen muss. Er gab sie nur in einem Ring (Plasmid) in die Zelle und zog sie später wieder heraus.
April 2009 - Reprogrammierung von Mauszellen mit Proteinen
Ende April 2009 kommt ein US-amerikanisches Forscherteam um Sheng Ding mit Beteiligung von Hans Schöler ganz ohne Gene aus und nutzt nur noch Proteine, um die Hautzellen von Mäusen zu reprogrammieren. Damit ist das zusätzliche Krebsrisiko ausgeschlossen, das beim Einsatz von eingeschleusten Genen generell besteht.
Mai 2009 - Reprogrammierung menschlicher Zellen mit Proteinen
Einem südkoreanisch-US-amerikanischem Team um Robert Lanza gelingt die Reprogrammierung menschlicher Hautzellen nur durch Zugabe von Proteinen.
Oktober 2010 - Reprogrammierung menschlicher Zellen mit RNA-Schnipseln
Bostoner Forscher um Derrick Rossi probieren eine weitere Methode, um das Einschleusen von Fremd-DNA zu vermeiden: Das Team erzeugte künstliche Schnipsel aus sogenannter Messenger-RNA. Diese Moleküle entstehen in der Zelle während der Übersetzung des Gens in das Protein. Mit Hilfe dieser modifizierten RNA-Moleküle werden diejenigen Erbinformationen in die Zelle geschleust, die zur Herstellung der Reprogrammierproteine notwendig sind. Die RNA-Moleküle dringen nicht in den Zellkern und beschädigen somit nicht das darinliegende Erbgut, wie es etwa bei der Virenmethode der Fall ist. Zudem ist die Methide wesentlich effizienter und schneller als bisherige Verfahren zur Herstellung von iPS.
Januar 2010 - Direkte Umwandlung von Körperzellen
Warum den Umweg über Stammzellen gehen? Einem Forscherteam um Marius Wernig von der Stanford University School of Medicine gelang es, Hautzellen von Mäusen direkt in einen anderen Zelltyp zu verwandeln. Die Forscher schleusten drei Gene in die Zellen und verwandelten die Hautzellen in weniger als einer Woche in voll funktionstüchtige Nervenzellen.
Januar 2011 - Direkte Umwandlung ohne Umweg über Stammzellen
Einen Schritt weiter gehen Forscher vom Scipps Research Institute im kalifornischen La Jolla: Sie nehmen quasi eine Abkürzung. Anstatt die Körperzellen erst in pluripotente Stammzellen umzuprogrammieren, wandelten sie Hautzellen direkt in Herzzellen um. Das Verfahren könnte die Herstellung von Körper-Ersatzteilen extrem beschleunigen.
Februar 2011 - Forscher entdecken gefährliche Mutationen
Zwei große Forscherteams haben sich an die Arbeit gemacht und das Erbgut verschiedener iPS-Zelllinien untersucht. Dabei haben sie festgestellt, dass es bei der Herstellung von iPS-Zellen zu genetischen Veränderungen kommen kann, die sogar das Risiko für Krebs erhöhen könnten. Das wirft Zweifel an der Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit der neuen Technik auf, die als vielversprechend für die Zucht von körpereigenen Geweben für Transplantationen gilt. Die Forscher fordern daher jetzt die genaue genetische Untersuchung der vielseitigen Zellen, bevor erste Studien an Patienten beginnen.


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