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26. März 2013, 09:57 Uhr

Biotechnologie

3-D-Drucker sollen Organe herstellen

Von Sascha Karberg

Es ist ein Medizinertraum und wäre Ende des Organspende-Dilemmas: ein 3-D-Printer, der ganze Organe druckt. Forscher haben erste Prototypen konstruiert. Sie können Haut oder Mini-Nieren produzieren. Schon in ein paar Jahren könnten die künstlichen Gewebe Patienten helfen, hoffen die Forscher.

"I love Biocurious" flimmert es in gespenstisch grünlichem Schriftzug ein gutes Dutzend Mal aus einer Petrischale. Das simple Graffito wäre wenig erwähnenswert - wäre es nicht mit gentechnisch veränderten Bakterienzellen geschrieben worden. Und zwar mit einem Tintenstrahldrucker, den ein Biotech-begeisterter Amateur, ein sogenannter Biohacker, im kalifornischen Silicon Valley gebastelt hat.

Tagsüber ist Patrick D'haeseleer Bioinformatiker an den Lawrence Livermore Laboratories, doch seine Freizeit verbringt er bei Biocurious, dem 2011 gegründeten Gemeinschaftslabor der Biohacker der San Francisco Bay Area. Hier verfolgt er eine Vision, für die er in Profi-Labors bisher kein Geld bekommt, weil sie unmöglich erscheint: Irgendwann will D'haeseleer dreidimensionale Blätter drucken, jene grünen Organe, mit denen sich Sonnenenergie einfangen lässt.

So kühn die Idee erscheint - D'haeseleer befindet sich in guter Gesellschaft. 3-D-Drucker sind unter Technikfreaks und Wissenschaftlern derzeit mehr als hip. Denn Gewebezüchter und Regenerationsmediziner können zwar immer mehr Zelltypen des Körpers in Kulturschälchen züchten. Doch die Zellen wollen sich nicht von selbst zu einem Herzen oder einer funktionierenden Niere zusammenfinden. 3-D-Drucker, gespeist mit Kartuschen voller Zellen unterschiedlichster Art, sollen deshalb ganze Organe aufbauen. Die Drucker können die gezüchteten Zellen zusammen mit Stützsubstanzen und Wachstumsfaktoren so positionieren, dass Schicht für Schicht ein neues Organ entsteht. Ein wichtiger Vorteil sei, dass sich der Zelldruck automatisieren lässt, sagt Will Wenmiao Shu von der Heriot-Watt University im schottischen Edinburgh.

Shu ist es kürzlich gelungen, einen Printer zu konstruieren, der die besonders sensiblen menschlichen embryonalen Stammzellen drucken konnte, aus denen sich praktisch alle Gewebetypen des Menschen entwickeln lassen. Innerhalb von zwei Sekunden kann Shu rund hundert dreidimensionale Aggregate aus jeweils ein paar Dutzend menschlichen embryonalen Stammzellen herstellen. Aus diesen sogenannten Sphäroiden können diverse Gewebe wachsen, die Shu allerdings nicht Patienten implantieren, sondern für verlässliche, tierversuchfreie Arzneimitteltests verwenden will.

Am Wake Forest Institute für Regenerative Medizin im US-Bundesstaat North Carolina wagen sich die Forscher bereits an das Drucken kompletter Organe. "Wir können nicht nur verschiedene Zelltypen präzise platzieren, sondern auch Proteine, Wachstumsfaktoren und andere Substanzen in die Struktur drucken, um die Organregeneration zu unterstützen", sagt James Yoo, Leiter des Bioprinting-Teams. Knorpel für Ohr und Nase, Muskelgewebe, Knochen entstehen dort bereits. Sogar Nieren mitsamt deren komplizierten zellulären Strukturen, die für die Filtration von Blut und die Produktion von Urin nötig sind, lassen sich drucken.

"Unser Projekt ist in einer frühen Phase", räumt Yoo ein. "Und es basiert auf Forschungen, mit denen wir Zellen und bestimmte Biomaterialien zu einer Miniaturniere kombiniert haben, die, implantiert in ein Tier, Urin filtrieren kann." Auf einer TED-Veranstaltung demonstrierte Yoos' Chef, der Gewebezuchtpionier Anthony Atala, wie so eine Mini-Niere aussieht und gedruckt wird. Von einer funktionierenden Niere oder auch einer Bauchspeicheldrüse für Diabetes-Patienten sei man aber noch Jahre entfernt.

Das größte Problem ist nicht die Drucktechnik. Es sind auch nicht die verschiedenen Zelltypen, die zuerst in komplizierten Zuchtverfahren im Labor produziert werden müssen, bevor sie vom Drucker verarbeitet werden können. "Um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden, verwenden wir Zellen aus dem Organ des Patienten als Ausgangspunkt für die Zellzucht", so Yoo. "Es kann mehrere Wochen dauern, die Millionen von Zellen zu züchten, die wir für jedes Projekt brauchen."

Doch es ist nicht damit getan, die Zellen nur an der richtigen Position abzusetzen. Sie müssen auch zu den biologischen Strukturen zusammenwachsen, die die Organfunktionen erst ermöglichen. "Eine der größten Herausforderungen ist es, dreidimensionale Blutgefäßstrukturen zu generieren", sagt Shu. Gerade in stark durchbluteten Organen wie der Niere oder der Bauchspeicheldrüse ist ein funktionierendes Gefäßsystem entscheidend.

Von echter Haut noch weit entfernt

Am Laser Zentrum Hannover hat sich Lothar Koch bescheidenere und vielleicht auch realistischere Ziele gesteckt. Der Leiter der Biofabrication-Gruppe arbeitet mit den Regenerationsforschern des Exzellenzclusters Rebirth an der Medizinischen Hochschule Hannover zusammen und hat aus Bindegewebs- und Keratinzellen Hautstücke gedruckt - mit einem frisierten Laserdrucker. "Der Vorteil ist, dass ein Laserdrucker keine Düse wie die Tintenstrahldrucker hat, an der die Zellen Scherkräften ausgesetzt werden."

Die Zellen dieser künstlichen Haut - zehn Millimeter lang und breit und zwei Millimeter dick - waren in der Lage, typische enge Verbindungen einzugehen, die Bakterien und Viren nicht überwinden können. "Wir haben die Haut an Mäusen ausprobiert, und es sind sogar Blutgefäße in das Gewebe eingewachsen", sagt Koch. "Aber es dauert noch, bis man das beim Menschen einsetzen kann." Von echter Haut ist Kochs Konstrukt noch weit entfernt: Es fehlen doch Drüsenzellen und Immunzellen.

Der speziell für die Forschungsprojekte am Wake Forest Institute entwickelte Zelldrucker, der fünf bis acht Minuten für eine Ohrmuschel und einen Tag für den Nierenprototypen braucht, habe inzwischen sicher mehr als 500.000 Dollar gekostet, so Yoo. "Wahrscheinlich wird es deshalb in Zukunft regionale Regenerationszentren geben, die die Kliniken der Umgebung versorgen."

Dass in Zukunft jedes Krankenhaus neben dem Laserdrucker im Büro auch ein paar Organdrucker besitzt, hält der Forscher für eher unwahrscheinlich. Aber wer weiß schon, wie die Nachfolgemodelle des 150-Dollar-Zelldruckers des Biohackers Patrick D'haeseleer aussehen werden. Dass die in den siebziger Jahren unweit von Biocurious in einer Silicon-Valley-Garage zusammengeschraubten ersten Prototypen des Apple-Computers irgendwann in Millionen von Haushalten stehen würden, hätte damals auch kaum jemand für möglich gehalten.

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