3-D-Drucker
Schon bald kommen die ersten Organe aus dem Drucker

Kunstlebern aus dem Labor, Luftröhren aus dem 3-D-Drucker und Herzklappen von neuseeländischen Schweinen: Weltweit forschen Wissenschafter, wie sich Organe nachbauen lassen.

Claudia Weiss
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Ohr aus dem Computer: Bald schon Wirklichkeit?

Ohr aus dem Computer: Bald schon Wirklichkeit?

Wake Forest Institute

Die Ohrmuschel sieht täuschend echt aus. Und sie kommt aus dem Drucker. «Bioprinting» heisst die noch junge Methode, mit dem 3-D-Drucker und menschlichen Zellen lebende Körperteile zu formen. Für die Ohrmuschel haben Biotechnologie-Professor Lawrence Bonassar und seine Kollegen von der Cornell University in New York in einen speziellen 3-D-Drucker eine ausgeklügelte Zell-Flüssigkeit eingefüllt. Diese Zellsuppe trug der Spezialdrucker auf ein speziell vorbehandeltes Papier auf, Schicht um Schicht, bis das computerberechnete Ohr in seiner dreidimensionalen Form dalag.

Anschliessend legten die Wissenschafter die aus Zellgewebe gedruckte Form in eine Petrischale, spritzten ihr weitere Zellflüssigkeit ein und stellten sie in einen Bioreaktor. Ein paar Wochen später konnten sie ein prächtiges Kunstohr herausheben. Solche bioartifiziellen Ohren werden wahrscheinlich schon in drei Jahren jenen Menschen helfen, die aufgrund eines Gendefekts verkümmerte Ohrmuscheln haben. Das Revolutionäre daran: «Das Ohr beinhaltet weder Plastik noch Kunststoff, sondern es lebt und kann für Jahrzehnte im Körper weiterleben», sagt Bonassar.

Massgefertigte Ohren

Die Ohrmuschel ist nur ein winziger Anfang, Tausende von Forschern haben viel weitreichendere Visionen: Schlägt ein Herz nicht mehr gut oder gibt eine Niere ihre Funktion auf, sollen dereinst 3-D-Printer und Stammzellen ein massgefertigtes Organ hervorbringen. Für dieses Implantat bräuchte es dann keinen hirntoten Spender mehr, und Debatten über Spendermangel und ethische Fragen würden sich erübrigen. Das Zauberwort heisst «Tissue Engineering», Gewebeherstellung, das Endziel ist der Bau ganzer Organe, «Organ Engineering».

Revolutionär ist nicht nur die Herstellungstechnik der Organe, sondern auch die Tatsache, dass sie mit körpereigenen Zellen des künftigen Empfängers oder mit Stammzellen hergestellt werden. Weil das Gewebe keine Fremd-DNA enthält, löst das neue Organ keine Abstossungsreaktionen aus. Und weil die gedruckten Zellschichten innert Tagen zusammenwachsen und sich wie im Körper lebendes Gewebe verhalten, ist es bereits möglich, Organteile herzustellen, die mitwachsen.

Forschung schreitet voran

Noch sind komplexe «Organe auf Bestellung» eine Fiktion. Aber die ersten Menschen leben schon mit einer künstlich aus Zellen erzeugten Harnblase, Harnröhre oder Luftröhre. Und die Forschung schreitet unaufhaltsam voran, Wissenschafter wetteifern weltweit um die raffiniertesten Labororgane. Zum Beispiel die Forscher am Wake Forest Institute für Regenerative Medizin in North Carolina: «Was wie Science-Fiction aussehen mag, geschieht genau in diesem Moment an diesem Institut», frohlockt Direktor Anthony Atala auf seiner Homepage.

Auf Anfrage der «Schweiz am Sonntag» antwortet er: «Eine der grössten Herausforderungen wird sein, jene komplexen Organe wie Nieren und Lebern herzustellen, die Mangelware sind.» Immerhin können die Biotechnologen am Wake Forest Institute bereits 30 Organteile nachbilden, von Blutgefässen über Zeigefinger, Herzklappen, Ohren und Penis-Schwellgewebe bis Knochen und Muskeln, die beweglich sind.

Da der Prozess des Biodruckens sehr komplex ist, erwartet Anthony Atala zwar nicht gerade, dass bald alle Menschen mit einem eigenen Drucker ihre «Ersatzteile» ausdrucken. «Aber vielleicht wird es eines Tages regionale Zentren geben, die diesen Service anbieten.» Ziel der regenerativen Medizin sei auf jeden Fall, dem Spendermangel zu begegnen, sagt er. Ob Spenderorgane eines Tages verzichtbar werden, lässt er offen.

Die erste künstliche Harnblase ist da

Aber gewiss ist: «Unsere Forscher arbeiten daran, dass immer mehr Krankheiten mit regenerativer Medizin behandelt werden können und dass diese Behandlungen immer mehr Leuten zur Verfügung stehen», sagt Anthony Atala. Bald wollen sie deshalb mit anderen Organen weiterführen, was Atala, damals noch am Massachusetts General Hospital in Boston, bereits im Jahr 2006 gelungen ist: Er implantierte sieben Teenagern mit einer angeborenen Blasenschwäche die erste künstliche, funktionsfähige Harnblase.

Am Massachusetts General Hospital wird auch nach Atalas Weggang eifrig weitergeforscht, eben erst haben die Forscher Ratten mit zellbehandelten Nieren ausgestattet, die sich mit dem Blutsystem verbanden und während ein paar Stunden sogar Urin produzierten. Das Team arbeitet nun daran, auch grössere funktionsfähige Nieren herzustellen. Tiere müssen aber nicht nur als Versuchsobjekte hinhalten, sondern auch als Organspender: Einige Forscher versuchen, mit den neuen Möglichkeiten der bisher stockend fortschreitenden Xenotransplantation (Transplantation artfremder Organe) neuen Schub zu verleihen.

An der Münchener Ludwig-Maximilians-Universität beispielsweise werden neuseeländische Schweine genetisch verändert, damit ihre Organe vom menschlichen Organismus nicht mehr abgestossen werden: Neuseelandschweine müssen es sein, weil diese anders als andere Schweineherzen keinen gefährlichen Schweinevirus in sich tragen. Mit Menschenzellen besiedelte Herzklappen von Schweinen werden bereits heute eingesetzt, und läuft alles wie geplant, finden die ersten klinischen Versuche mit ganzen Schweineherzen in den nächsten paar Jahren statt.

Kunstherz mit Kuhzellen

Derweil hat in Frankreich die Biotechnologie-Firma Carmat ein Kunstherz entwickelt, das aus synthetischem und biologischem Material aus Kuhzellen gemischt wird. Klinische Versuche sollen demnächst zeigen, ob es zur Überbrückung dient, während jemand auf ein passendes Spenderherz wartet.

Andere setzen auf Versuche «en miniature»: Die Bioprinting Firma Organovo in San Diego, USA, hat kürzlich eine winzige Leber hergestellt, einen halben Millimeter dick und 4 Millimeter im Durchmesser – und funktionsfähig. Sie dient vorerst zum Testen von Medikamenten, eine vollwertige Menschenleber liegt noch ausserhalb des Machbaren, weil bei der Leber wie bei Niere, Herz, und Pankreas das Zellgeflecht sehr dicht ist und eine eigene Sauerstoffzufuhr benötigt.

Eine wichtige Grundlage für die Gewebeproduktion im Labor sind Stammzellen – und auch da haben die Forscher Wege gefunden, damit der Nachschub nicht versiegt: In Schottland haben kürzlich Forscher die ersten Stammzellen im 3-D-Drucker gefertigt, «Millionen von Stammzellen innert Minuten», sagte Studien-Ko-Autor Will Shu von der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh gegenüber AFP. Das heisst, innerhalb weniger Sekunden entstanden 100 dreidimensionale Aggregate aus jeweils ein paar Dutzend Stammzellen.

Dies war eine Entwicklung, welche ethische Hemmungen ebenso besänftigen könnte wie die Entdeckung, die letztes Jahr den Medizinnobelpreis gewann: Stammzellen von Erwachsenen können durch eine spezielle Behandlung wieder ebenso pluripotent werden wie embryonale Stammzellen.

Die letzte Zulassungsrunde läuft

Noch idealer ist es, wenn die Stammzellen gleich vom künftigen Empfänger selber stammen: In London haben Ärzte das von Zellen befreite Kollagengerüst einer Spender-Luftröhre verwendet, mit den Stammzellen eines elfjährigen Knaben besiedelt und sie diesem erfolgreich eingesetzt. Die Luftröhre ist in den zwei Jahren seither sogar mit dem Teenager mitgewachsen.

Genau das, sagt Simon Hoerstrup, sei die grösste Herausforderung beim Tissue Engineering: «Organe dazu zu bringen, dass sie durchblutet werden und mitwachsen.» Hoerstrup ist Leiter der Abteilung Regenerative Medizin an der Universität Zürich, und die Schweiz ist ganz weit vorne dabei: «In ungefähr einem Jahr können wir den ersten Kindern eine so gefertigte Lungenarterie implantieren», hofft Hoerstrup.

Im Moment laufen noch die letzten Zulassungsrunden. Sind diese überstanden, können die Zürcher Forscher und Kinderchirurgen erstmals Kindern mit einem schweren angeborenen Herzfehler mit einer einmaligen Operation kurz nach der Geburt helfen. Eine Nachoperation im Lauf des Wachstums, sagt Hoerstrup, soll überflüssig werden: «Die bioartifizielle Lungenarterie wird mitwachsen wie eine natürliche.»

Zweifel bleiben

Die Vision von einem kompletten, schlagenden Herzen aus dem Biolabor, so Hoerstrup, wird jedoch frühestens in ein, zwei Jahrzehnten wahr werden. «Rasch mit dem 3-D-Printer ein Organ drucken – das tönt so einfach, ist aber enorm kompliziert», sagt er: Ein Herz besteht aus einer enorm komplexen Zellzusammensetzung. Deshalb ist für ihn das Thema Organdrucken «sehr vielversprechend, aber vorsichtig zu betrachten».

Im Gegenteil, der Zürcher Biotechnologe warnt: «Man sollte die Erwartungen nicht zu hoch schrauben, denn Enttäuschungen schaden der Sache nur.» Schon einmal sei ein Hype um Kunstorgane aufgeflackert und dann leise wieder zusammengesunken. «Erst nach vielen, vielen Forschungsjahren», sagt Simon Hoerstrup vorsichtig, «sind vielleicht eines Tages Spenderorgane tatsächlich überflüssig.»

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