Bioprinting: Organe aus dem 3D-Drucker statt Organspende

In Deutschland gibt es nicht genug Organspenden. Alternative: Bioprinting, also Organe aus dem Drucker. Wie das funktioniert und was schon geht, erfahren Sie hier.

Endlich gibt es hierzulande das lange erwartete Organspenderegister. Das soll die Zahl der Organspenden erhöhen. Doch ob es wirklich mehr transplantationsfähige Organe gibt, bleibt abzuwarten. Eine Alternative wären hingegen Organe aus dem 3D-Drucker.  

Bioprinting: Mit körpereigenen Zellen gedruckte Organe

Zwischen 8500 und 10 000 Menschen benötigten in den vergangenen Jahren nach Angaben der Deutschen Stiftung Organtransplantation akut ein Fremdorgan. Demgegenüber stehen jeweils weniger als 1000 Organspender und -spenderinnen pro Jahr. Statistisch gesehen stirbt von den Menschen auf der Warteliste alle acht Stunden einer, weil es kein passendes Spenderorgan gibt. Alle Deutschen sollen deshalb grundsätzlich zu Organspendern werden, so jedenfalls fordern es seit Jahren die Bundesgesundheitsminister, egal aus welchem politischen Lager.

Doch auch das hilft nur bedingt, die Zahl der transplantierbaren Organe zu erhöhen. Denn nicht immer passen Spender und Empfänger zusammen. Mediziner suchen deshalb nach Ersatz. Das Züchten von Gewebe wie Knorpel oder Haut gelingt im Reagenzglas bereits ganz gut. Aber ganze Organe? Große Hoffnungen ruhen auf der additiven Fertigung. Mithilfe von Bioprinting, so die Idee, ließe sich der Bedarf an Organen auf Basis körpereigener Zellen decken. Positiver Nebeneffekt: Die Abstoßungsreaktion könnte dann milder ausfallen.

Was ist 3D-Bioprinting, wie funktioniert es?

Für die personalisierte regenerative Medizin wären maßgeschneiderte Organe aus dem Drucker das sicher ein Segen. Ausgangsmaterial für einen solchen Organdruck sind Biotinten, in denen Zellen gelöst sind. Ein Knackpunkt: Die Zellen müssen den Druckprozess überleben. Außerdem braucht es ein Gerüst, an dem sie anwachsen können – sonst würde das Druckergebnis gleich wieder zerfließen. Ein solches Gerüst, die Matrix, zu drucken, ist längst kein Problem mehr.

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Welche Organe kann man mit 3D-Druck nachbilden?

Eine Ohrmuschel aus Nanocellulose haben Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hergestellt. Das Schweizer Team druckte beispielsweise mit aus Holz gewonnener Nanocellulose Ohrmuscheln für Patienten, bei denen eine Knorpelerkrankung Fehlbildungen verursacht hat. Der Rohstoff wäre sogar biologisch abbaubar, sagen sie.

Schwierig wird es immer dann, wenn man im Druckprozess verschiedene Zelltypen zusammenbringen will, die üblicherweise ein biologisch funktionelles Gewebe ausbilden. Also zum Beispiel Drüsenzellen, die von Nervengewebe und Blutgefäßen durchzogen und von Hautschichten sowie Bindegewebe umhüllt sind. Wie bei einem Organ eben üblich.

Wie wird Biotinte hergestellt?

Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart tüfteln Forschende an Biotinten, die solche Anforderungen erfüllen sollen. Die Biotinte ist praktisch das Biomaterial in seiner unvernetzten, druckbaren Form. Sie enthält zum einen Biopolymere wie Gelatine, Heparin oder Hyaluronsäure, zum anderen ein wässriges Nährmedium sowie natürlich die lebenden Zellen.

Schicht für Schicht entstehen daraus dreidimensionale Objekte entsprechend der zuvor programmierten äußeren Form. Während des Drucks muss die Tinte fließfähig bleiben, danach aber soll sie allmählich aushärten. Die Forscher bestrahlten sie dafür mit UV-Licht, damit sie sich zu Hydrogelen, also wasserhaltigen Polymerstrukturen, vernetzen. Von weichem Fettgewebe bis hin zu festem Knorpel lassen sich im Idealfall die Eigenschaften der natürlichen Vorbilder mittlerweile imitieren, indem die Biomoleküle entsprechend chemisch modifiziert werden. Aber einfach ist der Prozess nicht.

„So kann sie nicht gedruckt werden“, umschreibt Achim Weber das Problem. Der Leiter der Arbeitsgruppe „Partikuläre Systeme und Formulierungen“ am Fraunhofer IGB maskierte deshalb die Seitenketten des Gelatinemoleküls mit nicht vernetzbaren Acetylgruppen. So wird das Gelieren verhindert. Damit die Substanz dann aber nicht aus dem Drucker herausfließt, baute Weber zusätzlich vernetzbare Gruppen ein – ein bis dahin einzigartiger Vorgang im Bioprinting, wie Weber meint.

„Wir formulieren Tinten, die verschiedenen Zelltypen und damit auch verschiedenen Gewebe­strukturen möglichst optimale Bedingungen bieten“, beschreibt es Kirsten Borchers, am IGB für die Bioprinting-Projekte verantwortlich. Gemeinsam mit Forschenden der Universität Stuttgart wurden auf diese Weise bereits zwei unterschiedliche Hydrogelvarianten entwickelt: festere Gele mit mineralischen Anteilen, um Knochenzellen bestmöglich zu versorgen, und weichere Gele ohne Mineralien, mit deren Hilfe Blutgefäßzellen kapillare Strukturen ausbilden sollen.

Wie können Gewebe aus dem 3D-Druck mit Blut versorgt werden?

Hier zeigt sich die nächste Hürde, vor der die Forschung steht. Damit gedruckte Zellhaufen später mit Nährstoffen versorgt werden können und so am Leben bleiben, müssen sie von feinsten Blutgefäßen, den sogenannten Kapillaren, durchwachsen werden. Bei einem aushärtenden Medium eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit. In einem Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) experimentieren deshalb nun Wissenschaftler der Universitäten Erlangen-Nürnberg, Würzburg und Bayreuth mit dreidimensionalen Gefäßschleifen, die auf dem Hinweg Nährstoffe zum Gewebe hin- und auf dem Rückweg Stoffwechselprodukte wieder wegtransportieren.

Das Team in Franken reicherte dafür eine Matrix aus dem Protein Fibrin, das bei der Blutgerinnung hilft Wunden zu verschließen, mit Vorläuferzellen an, die die Gefäßneubildung fördern. „Mit einem speziellen 3D-Drucker können wir alle Materialien zeitgleich genau so anordnen, wie sie im späteren Gewebemodell platziert sein sollen – und das im Makro-, Mikro- und Nano­bereich“, freut sich Raymund Horch von der Uni Erlangen. Bleibt nur die Frage, wie man die Zellen dazu bringt, in verschiedene Richtungen zu wachsen – und zwar exakt dorthin, wo sie wirklich benötigt werden.

Auch das Miniherz aus Israel wurde bereits mit einer eigenen Blutversorgung ausgestattet. Dafür hatte das Team um Tal Dvir an der Universität Tel Aviv Stammzellen aus dem Fettgewebe eines Probanden isoliert und umprogrammiert. Daraufhin erzeugten die Stammzellen einerseits Herzmuskel- und andererseits Endothelzellen, die die Innenwände von Blutgefäßen bilden.

„Es ist das erste Mal, dass ein vollständiges Herz mitsamt Zellgewebe, Blutgefäßen und Ventrikeln gedruckt wurde“, sagt Dvir. Zwar sei das Organ nur etwa so groß wie eine Kirsche und könne auch nicht schlagen, doch habe sein Team gezeigt, dass mit dieser Technologie im Prinzip auch größere menschliche Herzen hergestellt werden könnten.

Sind Organe aus dem 3D-Drucker lebensfähig?

Trotz aller Fortschritte: Bislang lassen sich noch keine lebensfähigen Organe drucken. Erstanwendungen für das Bioprinting werden nach Meinung von Experten In-vitro-Testsysteme sein. Pharma­unternehmen können mit solchen gedruckten, organähnlichen Strukturen die Wirkung ihrer Arzneimittelkandidaten prüfen. Der Vorteil: Bevor ein Medikament erst in der klinischen Anwendung scheitert, ließe sich sehr viel preiswerter und ohne weiteres Leid bei den Patienten testen, ob die Substanz tatsächlich geeignet ist.

Wie weit ist Bioprinting bereits?

Je weiter die Entwicklung des Organdrucks voranschreitet, umso wichtiger wird es, die Prozesse nachvollziehbar zu machen. Der neue Richtlinienausschuss VDI 5708 will neben der Klärung der grundlegenden Definitionen und Terminologien beim Bioprinting auch die Anforderungen an die verwendeten Geräte und Biotinten prüfen, genauso wie wichtige physikochemische und biologische Grundvoraussetzungen.

Zu den weltweit führenden Unternehmen, die sich mit Bioprinting beschäftigen, zählen vor allem die Bico-Group und Organovo mit Sitz in San Diego, Kalifornien. Die Bico Group ging aus der 2016 im schwedischen Göteborg gegründeten Firma Cellink hervor. Früh begann sie mit der Herstellung von Biotinten und Biodruckern vor allem für die Produktion von Geweben wie Haut, Leber, Hornhaut und Knorpel. Das Unternehmen arbeitet mit führenden Pharma- und Medizintechnikfirmen wie Astrazeneca, Merck, Novartis sowie mit Forschungsinstituten wie dem MIT und der Harvard University zusammen.

Das Ziel, mithilfe von gedruckten Organstrukturen Krankheiten zu heilen und Leben zu retten, rückt näher. Das Bundesforschungsministerium (BMBF) fördert deshalb Projekte zum Bioprinting. Visionäre träumen schon davon, völlig neue Organe zu erschaffen. Diese könnten beispielsweise Enzyme oder Hormone im Körper produzieren, die man heute als Medikament oder Nahrungsergänzungsmittel einnehmen muss. Noch aber sind es Träume.