Boston, Children’s Hospital. Auf der Intensivstation sind die Betten und Apparate der kleinen Patienten nur durch Vorhänge voneinander getrennt. Mein erstes Kind, gerade zwei Wochen alt, erholt sich nach einer gelungenen Operation. Von der Beinvene ausgehend, quer durch den winzigen Körper meiner Tochter, hatten die Ärzte einen Katheter bis hinter ein Auge geschoben. Dort verstopften sie eine fehlerhafte Gefäßverbindung mit einem winzigen Platindraht.
Während ich mich vor Glück und Erleichterung kaum fassen kann, zeigt der Monitor der Nachbarzelle eine immer flachere Linie an. Ärzte eilen herbei, hektische Anweisungen dringen durch den Vorhang – dann das verzweifelte Weinen der Mutter nebenan. Ihr Baby, das mit einem schweren Herz-Lungen-Fehler zur Welt gekommen war, ist gestorben. Dramatischer hätte man mir die Möglichkeiten und Grenzen moderner Chirurgie nicht vor Augen führen können: Alle möglichen diffizilen Reparaturen sind heute machbar. Aber wenn lebenswichtige Organe komplett versagen, gibt es oft keine Rettung.
Das ist jetzt drei Jahre her. Was ich damals nicht wußte: In diesem Kinderkrankenhaus in Boston versucht der Chirurg Joseph Vacanti schon seit Mitte der achtziger Jahre, Organe im Labor zu züchten. Vielleicht waren es ähnlich erschütternde Erlebnisse in seinem Klinikalltag, die ihn hoffen ließen, eines Tages durch neue Organe Leben zu retten. Gemeinsam mit dem Bioingenieur Robert Langer hatte Gewebezucht-Pionier Vacanti begonnen, verschiedene Zellarten auf dreidimensionalen und resorbierbaren – im Körper sich auflösenden – Kunststoffvliesen anzusiedeln.
Seither boomt das Tissue Engineering (zu deutsch: Gewebekonstruktion). Künstliche Haut und Knorpel haben schon den Sprung in die Klinik geschafft. Bänder, Knochen, Harnröhren und Harnblasen stehen kurz davor. Längst ist die Kunst der Gewebekonstruktion nicht mehr auf Boston beschränkt: Auch in Deutschland gibt es zahlreiche Forschergruppen – und eine besonders interessante am Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) in Denkendorf bei Stuttgart. Der Name läßt eher auf solide Ingenieurskunst schließen denn auf geheimnisumwitterte Organschöpfung. Das ITV hat sich unter Leitung des Textiltechnik-Experten Heinrich Planck mit anderen süddeutschen Forschungseinrichtungen und Kliniken zum Deutschen Zentrum für Biomaterialien und Organersatz Stuttgart-Tübingen (BMOZ) zusammengetan. Eines ihrer Gemeinschaftsprojekte ist die künstliche Bauchspeicheldrüse. Heike Seibold begleitet mich bei meinem Besuch im ITV. Sie hat sowohl persönlich als auch beruflich mit der Erkrankung zu tun, bei der die Bauchspeicheldrüse kein Insulin mehr produziert: Sie ist Assistenzärztin für Innere Medizin am Bürgerhospital Stuttgart – und gleichzeitig selbst Diabetikerin.
Mit Haarhäubchen und Plastikschuh-Überzügen werden wir durch die Reinräume mit Produktionsanlagen für resorbierbare Operationsfäden geführt und besichtigen chemische Labors, in denen Biopolymere umkristallisiert und ausgefällt werden. Die synthetischen Einzelteile für die künstliche Bauchspeicheldrüse werden in einer sogenannten Kapillarspinn- und einer Sprühvliesanlage hergestellt.
Dem Krach der Produktionsmaschinerie und dem Lösungsmittelgeruch entkommen, treffen wir Michael Doser, den Leiter der Entwicklung Biomedizintechnik am ITV. Er macht uns mit Charly bekannt, einem weitgereisten Mitarbeiter des Instituts. Gerade ist er aus Atlanta zurückgekehrt, daher trägt er Schildchen mit englischer Aufschrift. Charly ist ein Skelettmodell, an dem diverse Prototypen für Organersatzteile und Implantate hängen. Keines davon sieht auch nur annähernd wie ein echtes Organ aus – auch die künstliche Bauchspeicheldrüse nicht. Sie besteht aus einem weißen, etwa zehn Zentimeter langen und mehrere Millimeter dicken Vlies-Röhrchen mit zwei dünnen zusätzlichen Ausgängen. Charly trägt den Polyurethan-Wurm im Beckenbereich. Doser erklärt uns, daß es sich um eine Gefäßprothese handelt, deren Innenwand mit einem dünnen, spiralförmig gewickelten Schlauch ausgekleidet ist – einer Kapillarmembran. In diese Kapillarmembran kommen die Hauptdarsteller: lebende Langerhanssche Inselzellen vom Schwein. Diese Zellen messen im lebenden Organismus den Blutzuckerwert, schütten entsprechend Insulin aus und halten den Wert dadurch konstant. Im Körper wird das „Device”, wie der Biologe es nennt, um nicht unvornehm „Ding” oder „Teil” sagen zu müssen, an eine Arterie angeschlossen.
Das Blut strömt hindurch, an der Kapillarmembran mit den Inselzellen vorbei. Die holen sich heraus, was sie zum Leben brauchen – Nährstoffe, Sauerstoff, Glukose –, und geben dafür Insulin ans Blut ab. Die Poren der Membran sind so klein, daß weder Zellen noch große Eiweißmoleküle wie Antikörper hindurchpassen. Das schützt die Schweinezellen vor den Attacken des Immunsystems, das die Fremdlinge sonst binnen kürzester Zeit eliminieren würde.
„Wozu sind die beiden kleinen Ausgänge da?”, will meine Begleiterin wissen. „Das sind die Enden der Kapillarmembran”, erklärt der Wissenschaftler. Sie werden dicht unter die Haut geführt. Nach etwa einem halben Jahr müssen die Zellen ausgetauscht werden. Das geschieht einfach mit einer Spritze durch die Haut – die Prothese selbst bleibt dauerhaft im Körper. „ Und wie weit ist der Prototyp noch von der Klinik entfernt?”, fragt Heike Seibold. Sie seufzt, als der ITV-Entwicklungsleiter den Zeitrahmen steckt: Zunächst müssen die Entwickler Probleme mit der Bildung von Blutgerinnseln lösen. Ferner müssen sie ein geeignetes Gel als Trägermaterial für die Zellen finden. Wahrscheinlich noch in diesem Jahr sollen Tierversuche an Schweinen unter anderem klären, wo und wie die Prothese am besten implantiert werden kann. Wenn alles gut geht, hofft Michael Doser, können erste klinische Studien an Menschen in schätzungsweise vier Jahren beginnen.
Diabetiker gibt es nicht gerade wenige, und so treffen wir in dem Institut auf einen weiteren potentiellen Kandidaten für die künstliche Drüse: den Ingenieur Carsten Linti. Er ist gegenüber dem Kunstorgan skeptisch, zumindest beim heutigen Stand der Technik: „Meine Lebensqualität ist relativ wenig eingeschränkt, so daß ich nicht bereit bin, neue Risiken auf mich zu nehmen.” Die Ärztin sieht das anders: „Wenn der Blutzucker durch die Schweinezellen wirklich genau reguliert wird, ein sicherer Implantationsort gefunden ist und sich die Zellen problemlos austauschen lassen, würde ich das Ding ausprobieren.” Eine „echte” , originalgetreue Bauchspeicheldrüse im Labor wachsen zu lassen, ist bisher fern der Realität. Viele Wissenschaftler zweifeln, ob der Traum von der Zucht komplexer Organe wie Bauchspeicheldrüse, Niere, Leber oder Herz je in Erfüllung gehen kann. Zuvor müßten fundamentale Schwierigkeiten gelöst werden:
Problem Blutversorgung (Vaskularisierung): Von Primitivgewebe wie Knorpel und der obersten Hautschicht (Epidermis) abgesehen, brauchen alle größeren Gewebestücke ein Netz kleiner Blutgefäße. Das zu kreieren, ist noch niemandem gelungen. Problem Zellkultur: Die Zellen vieler ausgewachsener Organe – beispielsweise Herzmuskel- oder Nierenzellen – lassen sich im Labor nur schwer vermehren. Problem Abstoßung: Das künstliche Organ muß aus eigenen Zellen des Empfängers heranwachsen, um nicht abgestoßen zu werden. Doch bei akutem Organversagen ist dafür keine Zeit. Oft sind auch die Zellen des Patienten durch die Krankheit geschädigt und taugen nicht für die Organzucht. Oder der Eingriff wäre zu belastend. Problem Überleben: Solange die Krankheitsursache nicht beseitigt ist, würde auch ein Ersatzorgan bald zerstört. Das trifft zum Beispiel auf Autoimmunerkrankungen wie die rheumatoide Arthritis zu – dabei attackiert der Körper eigenes Knorpelgewebe. Zahlreiche Arbeitsgruppen suchen nach Lösungen – zum Beispiel in der südwestlichen Ecke Deutschlands, in Freiburg. Björn Stark, Ärztlicher Direktor der Abteilung für Plastische und Handchirurgie an der Universitätsklinik, betreibt hier schon seit vielen Jahren Gewebezucht. Das erste Produkt, die „Haut aus der Tube”, gibt es bereits zu kaufen. Ich besuche Katharina Bittner, Biochemikerin und Leiterin des Zellkulturlabors. Nach der technischen Seite des Tissue Engineering, die ich im Stuttgarter ITV erlebte, erwartet mich hier die biologische Seite. „Sie dürfen sich aber nicht vorstellen, daß Ihnen hier ein ganzer Arm aus dem Schrank entgegenfällt”, warnt mich Bittner. Sie spricht aus Erfahrung: Schon manches Fernsehteam ist in der Hoffnung auf Sensationen angereist und mit langen Gesichtern wieder abgezogen. Zellkulturlabors mit ihren sterilen Werkbänken, Brut- und Kühlschränken sind nun mal unspektakulär.
Der Brutschrank wärmt viele flache Plastikfläschchen mit roten oder pinkfarbenen Flüssigkeiten: Nährlösungen. Bittner legt eines der Fläschchen unters Mikroskop: Ein pflastersteinartiges Muster ovaler, durchscheinender Zellen wird sichtbar. Es sind lebende Endothelzellen, gewonnen aus der Nabelschnur eines Neugeborenen. Endothelzellen braucht man, um Blutgefäße wachsen zu lassen. Während ich meinen eigenen, derzeit kugelrunden Bauch betrachte und mich frage, ob die Entbindung meines nächsten Kindes auch zur Aderzucht beitragen wird, erklärt Bittner: „Es ist schon lange möglich, Endothelzellen aus Nabelschnüren oder Rinderaorten im Labor zu halten. Aber für den Einsatz bei Patienten brauchen wir körpereigene Zellen, um eine Immunreaktion zu verhindern.”
Unreife Zellen, aus denen Endothelzellen entstehen können, hat jeder Mensch im Blut. Darum versuchen Bittner und ihr Team diese Vorläuferzellen zu gewinnen und im Labor zu vermehren. Gelingt dies, wollen die Freiburger Forscher ihre Endothelzellen dazu bringen, daß sie in Form feinster Äderchen in ein gezüchtetes Organgewebe einwachsen und es ausreichend mit Nährstoffen versorgen. Nur dann nämlich kann es eine hinreichende Größe erreichen. Dazu werden in die Zellen des Zielgewebes Gene für Wachstumsfaktoren eingebracht, die die Blutgefäße anlocken. Alternativ werden die Endothelzellen selbst mit Genen ausgestattet, die sie zu Blutgefäßen sprießen lassen sollen.
Vorläuferzellen und Gentherapie – das sind die beiden Strategien, die die derzeitigen Grenzen des Tissue Engineering überwinden und eines Tages auch die Zucht komplexer Organe möglich machen sollen. Schon heute kann die neue Technik bei Erkrankungen innerer Organe helfen. So gibt es bereits Bioreaktoren, in denen Kulturen aus lebenden Schweineleberzellen Dienst tun. Augustinus Bader, Wissenschaftler an der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) in Braunschweig, hat kürzlich eine neue Variante eines solchen Bioreaktors entwickelt, die in Kürze in die klinische Prüfung kommt. Er arbeitet gleichzeitig an den Leibniz Laboratorien für künstliche Organe (LEBAO) in Hannover.
Baders Reaktor besteht aus flachen Scheiben kultivierten Schweinelebergewebes, die eingefroren in der Klinik auf Vorrat gehalten werden. Der Forscher erwartet, daß dieses Hilfsmittel so lange an einen Patienten mit akutem Leberversagen angeschlossen werden kann, bis dessen Leber sich wieder erholt hat. Im Fall der ungewöhnlich regenerationsfähigen Leber ist es nach Baders Ansicht sowieso nicht zwingend nötig, außerhalb des Körpers ein Ersatzorgan heranzuziehen. Es reiche bei bestimmten Patienten völlig aus, den verbliebenen gesunden Leberzellen im Körper genügend Zeit zu geben, um selbst wieder zu einem kompletten Organ heranzuwachsen.
Dem Traum von der Zucht wirklicher Organe kommt das am nächsten, was gerade an der Medizinischen Hochschule Hannover geschieht. Dort ist es Bader in Zusammenarbeit mit dem Herzchirurgen und LEBAO-Chef Axel Haverich gelungen, künstliche Herzklappen im Bioreaktor zu züchten. Sie sind für das Tissue Engineering gut geeignet, weil sie keine eigenen Blutgefäße brauchen, sondern von dem vorbeiströmenden Blut im Herzinneren ernährt werden.
Unter einem Bioreaktor hatte ich mir ein großes, kompliziertes, sehr technisch wirkendes Gehäuse vorgestellt, in dem es blubbert und pulsiert und in dessen Mitte die Herzklappe hin- und herschlägt. Die Realität ist nüchterner. Heike Mertsching, Biologin in der Gruppe von Bader, holt eine 20 Zentimeter lange Glasröhre aus dem Brutschrank. Darin ist ein Gewebestück zwischen zwei weißen Silikonstücken eingespannt: eine Herzklappe. Das Organteil hängt nicht mutterseelenallein im Laborgefäß, sondern ist eingebettet in heimatliches Gewebe – in den Ansatz der Aorta und ein wenig Herzmuskel. Die Klappensegel selbst sind drei feine Häutchen, durch die die Nährflüssigkeit kontinuierlich fließt. Diese Herzklappe ist im Prinzip fertig und könnte implantiert werden.
Ihr Werdegang: Eine Schweineherzklappe wurde von sämtlichen anhaftenden Zellen befreit, so daß nur noch das Bindegewebsgerüst (Kollagen) übrigblieb. Auf der nackten Klappe siedelten die Hannoveraner Gewebskonstrukteure patienteneigene Gefäßwandzellen an. Damit sie sich gut verteilten, wurde der Reaktor ständig hin- und hergerollt: Die Klappen müssen von einem lückenlosen Zellteppich umhüllt sein, damit sie nachher im Körper nicht verkalken. Als Zellquelle verwendeten die Forscher Gefäße, die bei Bypaß-Operationen übriggeblieben waren – später einmal müssen die Patienten einen Teil einer eigenen Beinvene opfern. Im Körper des Herzkranken, dem die Operateure eine solche Klappe mit menschlichem Zellrasen einpflanzen, werden die Zellen das Schweinekollagen abbauen und durch eigenes ersetzen. Der Patient hat also am Schluß ein Ersatzteil, an dem nichts Fremdes mehr ist. Von dieser Herzklappe erwarten die Wissenschaftler, daß sie sogar in Kindern mitwächst. Das wäre ein riesiger Vorteil gegenüber den gängigen Implantaten, denn bei jeder neuen Operation steigt bislang das Risiko, weil die Ansätze für die Herzklappen zunehmend vernarben. Am Schluß kann doch nur die Transplantation eines kompletten Herzens die jungen Patienten retten.
Prototypen der künstlichen Herzklappe haben sich in Lämmern schon drei Monate lang bewährt. Derzeit läuft der zweite Langzeitversuch, der sich über ein ganzes Jahr erstrecken soll. Wenn auch er erfolgreich ist, wollen die Wissenschaftler im nächsten Jahr erste klinische Studien am Menschen beginnen. Die Hannoveraner versuchen unterdessen, auch Gefäße und Herzmuskeln zu züchten. Haverich glaubt fest daran, daß es eines Tages möglich sein wird, mit Hilfe des Tissue Engineering ein ganzes Herz wachsen zu lassen. Zunächst dürften Laborgewächse immerhin Teile von Organen ersetzen, zum Beispiel Herzklappen. Gewebekonstrukte werden nicht alle, aber immerhin einige Aufgaben kranker Organe erfüllen können – oder einfach die körpereigene Regeneration unterstützen, wie Baders Leber- Bioreaktor.
Keines dieser Beispiele stellt ein komplettes Ersatzorgan dar. Aber sie alle tragen dazu bei, es gar nicht erst zum Ersatz eines kompletten Organs – sei es Herz, Niere oder Leber – kommen zu lassen. Und das ist für den Patienten sowieso viel besser.
Kompakt Das Tissue Engineering (die Konstruktion von biologischen Geweben) macht Fortschritte: Patienten profitieren bereits von Haut- und Knorpelzucht. Komplex aufgebaute vollständige Organe – etwa Herzen oder Nieren – kann bislang noch niemand herstellen. Doch bald könnten künstliche Gewebe gefährdete Organe entlasten.
Bdw community INTERNET Einblick in laufende Tissue-Engineering-Projekte der Berliner Charité gibt die Web-Adresse http://www.ukrv.de/ch/rheuma/tissue/projects/berichte/JB-HN0/Rekonstruk-D.html
Der Übersichtsartikel „Growing New Organs” von David J. Mooney und Antonios G. Mikos findet sich unter http://www.sciam.com/1999/0499issue/0499mooney.html Von dort verweisen weiterführende Links auf andere Internet-Seiten zum Thema Organzucht.
Der Gewebezucht-Pionier Joseph P. Vacanti hat die Web-Adresse: http://www.childrenshospital.org/cfapps/CHdeptDisplay.cfm?Dept=Surgerytranslab.html
Kontakt Wollen Sie mit dem Deutschen Zentrum für Biomaterialien und Organersatz (BMOZ) in Stuttgart und Tübingen in Verbindung treten? Dann bitte über: Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf Prof. Dr.-Ing. Heinrich Planck Körschtalstr. 26 73770 Denkendorf Tel.: 0711/9340216 Fax: 0711/9340297 E-Mail: heinrich.planck@itvd.uni-stuttgart.de http://www3.itv-denkendorf.de/read.asp?id=BiomedicalEngineering&lang=de
Lesen Anthony Atala (Hrsg.) SYNTHETIC BIODEGRADABLE POLYMER SCAFFOLDS Birkhäuser Verlag, 1997 $ 99,–
Robert P. Lanza (Hrsg.) PRINCIPLES OF TISSUE ENGINEERING Academic Press, 2000 $ 129,95
Erich Wintermantel, Suk-Woo Ha Bio BIOKOMPATIBLE WERKSTOFFE UND BAUWEISEN Implantate für Medizin und Umwelt Springer Verlag, 1998 DM 129,–
Carola Hanisch
