Spider-Man: Bald auch in Ihrem Krankenhaus

16. März 2015
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Mit zukunftsträchtigen 3D-Druckern lassen sich bereits gewebeähnliche Strukturen herstellen. Die optimale Zusammensetzung der sogenannten „Biotinte“ wird weltweit beforscht. Ein besonders vielversprechender Kandidat für die Grundsubstanz ist Spinnenseide.

Über allen kurzfristigen Zielsetzungen der Biofabrikation thront der Traum von der künstlichen Herstellung voll funktionstüchtiger und implantierbarer, menschlicher Organe. Der erste Schritt dorthin besteht in der Kreation einer biologischen Gerüststruktur, die das extrazelluläre Milieu imitiert. Diesem Anspruch genügen nur wenige Materialien. Als besonders vielversprechend gelten Hydrogele, die aus synthetischen oder natürlichen Polymeren bestehen und der Konsistenz weicher, körpereigener Gewebe ähneln. In einer Kollaboration der Universitäten Bayreuth und Würzburg gelang es Wissenschaftlern nun, ein Hydrogel auf der Basis von Spinnenseide zu erschaffen.

Die Wissenschaftler setzten dabei auf rekombinante Spinnenseidenproteine der Europäischen Gartenkreuzspinne und ergänzten sie durch Adhäsionsdomänen für eine bessere Zellhaftung. Bei der herkömmlichen Herstellung gewebeähnlicher Strukturen wird zuerst das Hydrogel durch den Druckprozess in Form gebracht, anschließend werden die Zellen darüber verstreut. Im Gegensatz dazu ließ sich die Spinnenseide bereits vor dem Druck mit humanen Zellen zu einer Biotinte kombinieren. Diese bildete nach dem Druck ein formfestes und belastbares Hydrogel, das nicht mit Vernetzern nachbehandelt werden musste. Im Hydrogel waren die eingebrachten Zellen für mindestens sieben Tage lebensfähig. Darüber hinaus zeigten Modellsubstanzen im Hinblick auf die Ernährung der Zellen eine gute Diffusion durch das Spinnen-Hydrogel.

Zwar sind die Überlebensraten von Zellen in konventionellen Hydrogelen auf der Basis von Alginat oder Gelatine deutlich höher, allerdings eröffnen die rekombinanten Spinnenseidenproteine Spielraum für biochemische Modifikationen, mit denen sich die Zell-Material-Interaktionen verstärken lassen. Darüber hinaus weist die Spinnenseide keinerlei Toxizität auf, wird nur langsam abgebaut und erregt nicht die Aufmerksamkeit des Immunsystems. Prof. Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth frohlockt: „Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Biotinte langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin erschließen.“ Konkrete Anwendungsmöglichkeiten wären der Ersatz von funktionsunfähigem Herzmuskelgewebes sowie die Reparatur zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien.

Vom Sonderling zum Wunderkind

Obwohl der 3D-Druck bereits in den frühen 1980er Jahren erstmals wissenschaftlich beschrieben wurde, nahm das Forschungsfeld der Biofabrikation erst in den letzten zehn Jahren Fahrt auf. Seither nährt der junge Wissenschaftszweig auch die immensen Erwartungen und Hoffnungen der regenerativen Medizin: „Stellen Sie sich vor, Sie könnten ins Krankenhaus gehen und sich ein ganzes Organ ausdrucken lassen, indem Sie auf dem Computerbildschirm einfach auf „Drucken“ klicken – mit der korrekten Anordnung aller Zellen, Proteine und Blutgefäße“, schwärmt Dr. Luiz Bertassoni, Bioingenieur an der Universität von Sydney. Von dieser Utopie sei man zwar noch weit entfernt, „aber unsere Forschungen gehen in genau diese Richtung“, verspricht Dr. Bertassoni.

Den ersten größeren Schritt in diese Richtung machten 2006 amerikanische Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, als sie Kindern und Jugendlichen mit Spina bifida im Labor gezüchtete Harnblasen implantierten. Die mit körpereigenen Zellen hergestellten Organe führten bei allen Probanden zu einer Verbesserung der Inkontinenz-Symptomatik. „Das zeigt, dass die regenerative Medizin eines Tages eine Lösung für die Knappheit an Organspenden sein kann“, prophezeite Dr. Anthony Atala, Direktor des Institus für Regenerative Medizin in Wake Forest. In den Folgejahren gelangen ihm und seinem Team weitere Teilerfolge mit der künstlichen Herstellung von Ohrmuscheln, Herzklappen, Analsphinktern sowie einer Miniatur-Leber.

Auf dem gesamten Globus verzeichnen verschiedene Forschungsgruppen ähnliche Fortschritte in der Biofabrikation. Am Laser-Zentrum in Hannover beschäftigt sich die ansässige Gruppe Biofabrikation damit, Hautgewebe aus Bindegewebs- und Epithelzellen zu drucken. „Wir haben die Haut an Mäusen ausprobiert, und es sind sogar Blutgefäße in das Gewebe eingewachsen“, freut sich Projektleiter Dr. Lothar Koch. Zwar dauere es noch, bis man das beim Menschen einsetzen könne, aber in den gedruckten Hautpartien kam es bereits zur Bildung essenzieller Zell-Zell-Kontakte, den „tight junctions“, die das Oberflächenorgan effektiv gegen schädliche Umwelteinflüsse abschirmen.

Der Stoff, aus dem die Organe sind

Ungeachtet der allgemeinen Euphorie steckt die Biofabrikation noch in den Kinderschuhen und steuert auf einige Hürden zu. „Eine der größten Herausforderungen in der Herstellung großer Gewebestrukturen und Organe ist es, ein Netzwerk aus Blutgefäßen und Kapillaren zu züchten“, sagt Dr. Bertassoni. Aus diesem Grund beinhalteten bisherige Druckaufträge mehrheitlich Baupläne für bradytrophe Gewebe, wie zum Beispiel Knorpel. Die inneren Organe sind jedoch sämtlich auf die Blutversorgung angewiesen und können nicht allein dank Diffusion überleben. Doch die eifrige Forschergemeinde scheint aktuell auf dem besten Wege zu sein, diese Hürde zu überwinden. Das Team um Dr. Bertassoni entwickelte eine Methode, bei der die Endothelzellen auf einer dreidimensionalen Schablone zur Aushärtung gebracht werden, die sich anschließend wieder entfernen lässt. Die Röhren aus Endothelzellen formten sich in weniger als einer Woche zu stabilen Kapillaren.

Ein zentrales Problem des „Bioengineering“ stellen die Herkunft und die Biokompatibilität der notwendigen Ressourcen dar. Während sich Naturstoffe wie Alginat, Gelatine und neuerdings auch Spinnenseide bereits als Ersatz für die Extrazellulärmatrix eignen, kann bei den Zellen weder auf solche Pendants noch auf die Zellen des Patienten zurückgegriffen werden: „Bei Organtransplantationen kann ich nicht die Zellen des Patienten nehmen, weil ja gerade das Organ krank ist“, erläutert Dr. Koch. Stattdessen müsse man auf Stammzellen oder umprogrammierte Zellen ausweichen. „Da weiß man aber noch nicht, ob sich dann vielleicht Krebsgeschwüre bilden“, warnt Koch. Darüber hinaus ist nicht vorhersehbar, wie originalgetreu sich die künstlichen Organe nach ihrer Implantation verhalten. Vor allem auf Seide basierende Materialien sind bekannt dafür, dass sie ganz im Sinne ihrer Herkunft zur Verpuppung des Organs führen – der Wirtsorganismus bildet eine fibrotische Kapsel.

Als die Tiere die Labore verließen

In Anbetracht der Entwicklungskosten von rund 500.000 US-Dollar für den Bio-Printer in Wake Forest und der wochenlangen Kultivierung der notwendigen Zellen handelt es sich nach Meinung der dortigen Forscher beim Organdruck aktuell kaum um eine massentaugliche Technik: „Wahrscheinlich wird es deshalb in Zukunft regionale Regenerationszentren geben, die die Kliniken der Umgebung versorgen“, spekuliert Dr. James Yoo, Mitarbeiter von Atala in Wake Forest. Während die blühende Verheißung vom marktreifen Organdruck also noch weit hinter dem Horizont liegt, rücken jedoch Einsatzmöglichkeiten in den Vordergrund, die den medizinischen Sektor weitaus früher bereichern könnten. Die rudimentären Organe aus der Maschine eignen sich nach Ansicht mancher Experten aktuell vorrangig für pharmazeutische Belange – als Ersatz- und Ergänzungsmethode für Tierversuche.

Dem marktführenden Unternehmen im Vertrieb von Biodruckern, Organovo, glückte kürzlich die Herstellung von Lebergewebe, das insgesamt 40 Tage überlebte. Nun arbeiten die verantwortlichen Wissenschaftler daran, aus der künstlichen Kreation vitale Teststreifen für Arzneimitteltests herzustellen. In eine ähnliche Richtung steuert Dr. Will Shu von der Heriot-Watt University in Edinburgh, der zu diesem Zweck einen Drucker konzipiert hat, der Konglomerate humaner, embryonaler Stammzellen zu sogenannten Sphäroiden formt. Diese lassen sich je nach Bedarf zu verschiedensten Geweben entwickeln. „Wir hoffen und glauben, dass diese wissenschaftliche Entwicklung langfristig zu verlässlichen Medikamententests ohne Tiere führen wird.“

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