Organzucht: Frankensteins Erben

Von Hanno Charisius

Wenn beim Menschen ein Organ ausfällt, dann muss Ersatz her. Weil Spenderorgane rar sind und zudem häufig Probleme bereiten, arbeiten Wissenschaftler an Organen aus der Retorte. Große Hoffnungen setzen sie in die Rekrutierung von Stammzellen.

Kunstherz: Vorerst aus Metall und Kunststoffen
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Kunstherz: Vorerst aus Metall und Kunststoffen

Ein paar Zellen in den Bioreaktor geben, warten und dann ein frisches Organ aus dem Inkubator ziehen: Nervenstränge, Brüste, Lebern, Zähne, Haut, Augen, ja, einen ganzen Arm - Science-Fiction-Fans ist derartiges längst vertraut. Glaubt man den Gewebekonstrukteuren, dann ist diese Vision schon heute Realität. Knochenscheibchen, Knorpelteile, Hautlappen, Sehnen und Herzklappen gibt es tatsächlich schon zu kaufen, auch wenn die künstlichen Organe vor allem aus Kunststoffen bestehen.

Doch auch an "lebendigen" Ersatzorganen arbeiten die Menschenzüchter: 1907 brachte der Zoologe Ross Harrison kultivierte Nervenzellen dazu, sich zu teilen. In den sechziger Jahren ließen verschiedene Gruppen einzelne Zellen zu einem dichten Rasen auf dem Boden eines Kulturgefäßes wachsen. 1972 brachte Richard Knazek Leberzellen auf Hohlfasern zum Sprießen. 1981 wurde Brandopfern Haut transplantiert, die aus körpereigenen Zellen gezüchtet worden waren.

Tissue Engineering (TE) heißt die Disziplin, die Körperteile aus der Retorte verspricht: Gewebe und Organe auf Bestellung und keine Wartelisten für Organspenden. Es sind Menschen wie Anthony Atala von der Harvard Medical School, die die Vision vom Organ von der Stange entwickelt haben. Wer erinnert sich nicht an die Meldung, dass Forscher ein männliches Geschlechtsteil "mit Gefühl" im Labor gezüchtet haben?

Immerhin ist Atala geglückt, den Schwellkörper von Kaninchen nachzuzüchten. "Die Äußerungen einzelner Forscher suggerieren, dass das Gebiet viel weiter ist, als es den Tatsachen entspricht", sagt Bärbel Hüsing vom Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung in Karlsruhe. Aber "man muss noch Jahre, vielleicht Jahrzehnte forschen".

Jedes Organ besteht aus verschiedenen Zelltypen. Alle existierenden TE-Produkte bestehen aus höchstens zwei unterschiedlichen Zelltypen und sind simpel aufgebaut: Haut wächst auf dem Boden von Zellkulturflaschen, Knorpelzellen werden mit Fibrinkleber auf einem bioresorbierbaren Vlies fixiert und dann an die verletzte Stelle transplantiert.

Bei der Zucht ganzer Organe treten noch viele Probleme auf. Man kennt nicht einmal die Mechanismen, wie sich Zellen zu ganzen Organen zusammenfinden. Um ihren Zellkonstrukten dennoch eine Form zu geben, greifen die Gewebezüchter auf vorgefertigte Gerüste aus Polymeren zurück, die man mit Knorpelzellen besiedelt, die dann das Trägermaterial ersetzen, bis schließlich das fertige bioartifizielle Ersatzteil von einem Chirurgen verpflanzt wird.

Nierentransplantation: Weg zu körpereigenen Organen ist noch lang
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Nierentransplantation: Weg zu körpereigenen Organen ist noch lang

Bei größeren Werkstücken stößt diese Technik bislang an Grenzen. Manche Forscher versuchen, natürliches Material zu recyceln. Die Firma Auto-Tissue aus Berlin verwendet Herzklappen von Schweinen, um daraus humanisierte Transplantate zu züchten. Das Münchner Unternehmen Vascular Biotech verwendete bis zum Insolvenzverfahren Mitte 2003 Venen von Spendern als Gerüst für die Neubesiedelung mit Patienten-Zellen.

Ein noch kreativerer Ansatz besteht in einer Abwandlung des so genannten Rapid-Prototyping-Verfahrens. Dabei wird der Druckkopf eines Spezialdruckers mit Zellen und Lösemittel befüllt und spritzt dann schichtweise Zellen in beliebige Formen. An den hannoverschen Leibniz-Forschungsinstituten für Biotechnologie und künstliche Organe wiederum versucht man, Schweinedarm in Luftröhren zu verwandeln. Nach Entfernung der Schweinezellen werden Arterien und Venen mit Epithelzellen besiedelt.

Mit der Wiederverwendung der Blutgefäße des Darmstücks lösen die Hannoveraner eines der größten Probleme: Wenn die Ersatzteile zu groß werden, als dass frische Nährstoffe noch allein aufgrund der Diffusion an die Zellen gelangen könnten, stirbt das Konstrukt von innen heraus. Bei bioartifiziellen Knochenchips mit einem Durchmesser von etwa acht Millimetern, wie sie das Freiburger Unternehmen BioTissue Technologies anbietet, durchziehen feine Gefäße das Transplantat, sobald es fest eingewachsen ist. "Der neue Knochen gibt Signale in die Umgebung ab, die Köperzellen dazu veranlassen, neue Gefäße anzulegen", sagt Jochen Ringe von der Berliner Charité.

Vorbild Tintenstrahldrucker: Organe Schicht für Schicht aufbauen
Nasser Manouchehri

Vorbild Tintenstrahldrucker: Organe Schicht für Schicht aufbauen

Im Labor von Deutschlands TE-Pionier Michael Sittinger sucht Ringe Botenstoffe, die körpereigene Stammzellen dazu bringen, in Gewebe einzuwachsen und sich dort passend zu differenzieren. Auf ein ähnliches Phänomen hofft man bei einer experimentellen Darmrekonstruktion, bei der ein Stück Dünndarm von Zellbestandteilen befreit wird. Zurück bleibt ein Gitternetz, das auf die Wunde im Verdauungstrakt genäht wird. Man hofft, dass Zellen aller typischen Wandschichten in die Matrix einwandern.

Stammzellrekrutierung ist womöglich die Zukunft des Tissue Engineering. "Erkenntnisse aus der Entwicklungsbiologie werden uns helfen, Zellen dazu zu bringen, sich in den künstlichen Gerüsten so zu organisieren wie in einem echten Organ", glaubt die Bio-Ingenieurin Sangeeta Bhatia von der University of California, die versucht, mit einem photolithografischen Schichtverfahren eine Leber aus unterschiedlichen Zellmixturen aufzubauen.

Die Mobilisierung von Stammzellen durch Wachstumsfaktoren in einem dreidimensionalen implantierbaren Trägermaterial hätte den Vorteil, dass man "preiswertere Off-the-shelf-Produkte anbieten kann und nicht jedes Präparat eigenhändig mixen muss", erklärt Charité-Forscher Ringe. Bis derartige Verfahren tatsächlich funktionieren, müssen sich die Mediziner weiter mit Ersatzteilen aus Metall, Plastik und Silizium behelfen.

© Technology Review, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover

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