Organe neu wachsen lassen

Beim Einbetten der Zellen achten die Forscher darauf, dass sie in der umgebenden zähen Masse bereits so angeordnet sind, wie es der Struktur des ausgereiften Organs entspricht. „Das sorgt für eine effiziente Entwicklung des Gewebes“, sagt Biologin Treutlein. Doch was aus der Druckdüse herausgepresst wird, ist nur die Anfangskonfiguration des späteren Kunstorgans. Daran schließen sich weitere Schritte an – bis hin zum Stimulieren der Gewebezellen für ihre biologische Reifung.

Um geeignete Biotinten für den 3D-Druck zu entwickeln, arbeiten Mediziner eng mit Ingenieuren zusammen. Die ersten vielversprechenden Erfolge haben dazu geführt, dass etliche Biotech-Firmen und Pharmaunternehmen in das Forschungsgebiet eingestiegen sind. Denn falls die Technik hilft, den Bedarf an Ersatzorganen zu decken, winkt das große Geschäft. Der Bedarf ist immens: Allein in Deutschland wurden von 1963 bis 2020 fast 150.000 Organe transplantiert, davon ungefähr 90.000 Nieren, 27.000 Lebern, 14.000 Herzen, 7000 Lungen und 4000 Bauchspeicheldrüsen. Derzeit warten weltweit rund eine halbe Million Menschen auf ein Spenderorgan. Sie leben mit Unfallverletzungen, schweren Krankheiten oder unheilbaren genetischen Mutationen. Viele Menschen sterben, bevor ein geeignetes Ersatzorgan für sie gefunden wurde. Das ließe sich vermeiden, wenn es gelänge, auf den Empfänger zugeschnittene neue Organe zu züchten und in den Körper einzusetzen.

Aktuelle Ansätze basieren darauf, dass Organe aus körpereigenen Zellen entwickelt werden. Meist sind es Haut- oder Blutzellen, die durch das Aktivieren von vier Genen in sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) umgewandelt werden – ein Trick, der es solchen Zellen ermöglicht, wieder neues Gewebe zu bilden. Der Vorteil: Ein aus seinen körpereigenen Stammzellen erzeugtes Organ wird – anders als ein transplantiertes fremdes Organ – nicht vom Körper abgestoßen.

Deshalb richten Barbara Treutlein und ihr Team ihr Augenmerk auf den Axolotl. „Wir untersuchen gerade das Gehirn des Molchs, aus dem wir größere Teile herausschneiden“, berichtet sie. „Es lässt sich beobachten, dass es sich danach wieder vollständig regeneriert.“

Die Forscher wollen die biologischen Mechanismen verstehen, die eine Rolle spielen, wenn Körperteile nachwachsen. Beim Axolotl ist die Besonderheit, dass er sich lebenslang im Larvenstadium befindet, der sogenannten Neotenie. Forciert man die körperliche Entwicklung über dieses Stadium hinaus, geht die Fähigkeit zur Neubildung von Organen und Gliedmaßen weitgehend verloren. Noch sei offen, ob das an speziellen Merkmalen des Axolotl-Genoms liegt, die es beim Menschen nicht gibt, erklärt Treutlein. Es könne aber auch sein, dass der Axolotl „über einen Mechanismus verfügt, den wir zwar nicht haben, den man vielleicht aber auch mit unseren Genen auslösen könnte“, spekuliert die Wissenschaftlerin.

Doch das könnte sehr kompliziert werden, denn Organ ist nicht gleich Organ. Der menschliche Körper hat, so zählen die Biologen, mindestens 78 Organe. Dazu gehören auch Zunge, Mandeln und Harnleiter. Und fast jedes dieser Körperteile enthält unterschiedliche Gewebearten. Daher stellt jedes Organ die Forscher bei einer künstlichen Herstellung vor andere Herausforderungen.

Adern und Herzkammern inklusive

So war es eine Sensation, als Tal Dvir von der Universität Tel Aviv 2019 das weltweit erste menschliche Herz aus einem 3D-Drucker präsentierte – ein Miniatur-Organ von der Größe eines Hasenherzens. Dem israelischen Biotechnologen war es gelungen, im Labor ein schlagendes Herz komplett mit Blutgefäßen, Adern und Herzkammern per Biodruck herzustellen. Die gedruckten Herzgewebe verbinden die unterschiedlichen Zellen der Muskeln und Gefäße biochemisch, mechanisch und elektrisch. Die Biotinte für das Herz gewannen die Forscher aus dem Fettgewebe eines Patienten.

Seit 2020 nutzt der deutsche Pharmakonzern Bayer Dvirs Humanherzgewebe, um daran die Wirkung neuer Herzmedikamente zu erproben. Ein ähnliches, aber etwas größeres gedrucktes Kunstherz schufen – ebenfalls 2019 – Forscher des Biotechnologie-Unternehmens Biolife4D aus Chicago.

Fortschritte gibt es auch beim Drucken anderer Organe, etwa der Leber. Allein in Deutschland leiden über fünf Millionen Menschen an Leberschäden, und obwohl sich das Organ im Prinzip selbst reparieren kann, gelingt das nur innerhalb enger Grenzen. So bleibt bei einer starken Schädigung der Leber meist nur eine Transplantation. Doch wegen der großen Zahl an Erkrankungen bleibt der Nachschub an Leberspenden weit hinter dem Bedarf zurück.

Weltweit arbeiten daher Forscher an Techniken, um Lebergewebe zu drucken. Ein Team um den chinesischen Chirurgen Yilei Mao vom Peking Union Medical College gelang es 2020, Organoide – winzige Miniatur-Organe – aus Leberzellen zu gewinnen und in Mäuse mit Leberschäden zu implantieren. Das Leben der Tiere verlängerte sich dadurch signifikant, berichten die Forscher. Das künstliche Gewebe entwickelte Leberfunktionen und reifte weiter heran – bis es letztlich Proteine herstellen konnte, wie sie auch eine gesunde Leber produziert. Einen anderen Weg beschritt Paulo André Marinho von der südkoreanischen Biotech-Firma T&R Biofab, der 2021 mit einem 3D-Biodrucker kleine Kugeln aus Lebergewebe schuf. Nach dem Einpflanzen dieser Gebilde in Labormäuse erwiesen auch sie sich als funktionstüchtig.

Künstliche Nieren: die Königsdisziplin

Von allen Organen am schwierigsten per 3D-Drucker herzustellen sind Nieren, die einen besonders komplexen inneren Aufbau haben. Zugleich sind Nieren die Organe, die am häufigsten ersetzt werden müssen. Die erste Niere wurde 1954 in Boston von dem Arzt Joseph Murray transplantiert. Es war die erste Organtransplantation überhaupt und eine Lebendspende – von einem Zwillingsbruder zum anderen. Der Anteil an Nieren-Lebendspenden liegt derzeit in Deutschland bei etwa 25 Prozent. Neben Nieren können nur Teile von Lunge, Leber, Bauchspeicheldrüse oder Dünndarm in Ausnahmefällen auch von lebenden Spendern entnommen werden.

Weltweit führend beim dreidimensionalen Biodruck von Nieren ist Melissa Little vom Murdoch Children Research Institute in Melbourne. Die australische Forscherin arbeitet an einer Art Serienproduktion künstlicher Organe. Dazu drückt sie die Biotinte – eine Paste aus Stammzellen – wie Zahnpasta aus einer Tube in eine Pipette. Per Computer wird diese Spritze dann über eine Schale gelenkt, wo sich künstliches lebendes Nierengewebe entwickelt. Wie die Zellbiologin in einer Studie demonstrierte, lassen sich so in zehn Minuten rund 200 Mini-Nieren produzieren, jede davon etwa so groß wie ein Fingernagel.

Die Miniatur-Nieren ähneln dem Original: Sie besitzen winzige Blutgefäße und ein Filtersystem mit sogenannten Nephronen. Diese Strukturen produzieren Urin, der dann ausgeschieden wird. Die Kunst ist es, sagt Melissa Little, durch die Druckdüsen ausreichend viele Nephronen für den Einsatz des Gewebes im menschlichen Körper herzustellen. Der Weg dahin erscheint noch weit. Als erste Etappe will die Australierin mit den Mini-Organen neue Medikamente gegen Nierenerkrankungen entwickeln und auf ihre Wirksamkeit testen.

Neue Haut auf Brandwunden

Doch nicht nur innere Organe stehen beim Entwickeln von dreidimensionalen Gewebe-Drucktechniken im Fokus der Forscher. Auch das Drucken von Hautstücken, die organische Gefäße enthalten, ist bereits geglückt. Die Haut – das größte Organ des menschlichen Körpers – hat wie die Leber eine gewisse Fähigkeit, sich selbst zu reparieren. Aber große Wunden, verursacht etwa durch Verbrennungen, Unfälle oder eine Hauterkrankung, lassen sich nur durch eine Transplantation schließen.

Chirurgen setzen dafür üblicherweise gesunde Hautstücke von anderen Körperregionen ein. Doch diese sind nicht immer vorhanden. Bei jedem dritten der weltweit jährlich rund elf Millionen durch Brände verletzten Menschen ist beispielsweise mehr als ein Drittel der Körperhaut zerstört.

Der 3D-Druck von großflächigen Hautstücken aus körpereigenen Zellen wäre für sie die Rettung. Zwar mangelt es dafür noch an einer optimalen Biotinte, doch die Weichheit der Haut und ihr Aufbau in mehreren Schichten macht das Drucken an sich einfacher als bei anderen Organen. So gelang es 2019 Forschern des Rensselaer Polytechnic Institute in Troy bei New York erstmals, per 3D-Druck ein lebendes Hautsegment herzustellen, das von Blutgefäßen durchzogen war – ein Meilenstein für die medizinische Anwendung. Im nächsten Schritt wollen die US-Forscher solche gedruckten Hautstücke mit einem Nervensystem ausstatten.

Ein alternatives Konzept verfolgen Forscher des Startup-Unternehmens Inventia Life Science aus dem australischen Perth. Sie arbeiten daran, künstliche Haut direkt auf die Wunden von Patienten zu drucken. Die Idee der Australier ist es, Hautzellen in Form kleiner Tröpfchen auf den Körper aufzusprühen.

Augen und Ohren reparieren

Und das ist nicht alles: Auch Augen, Knochen und Ohren sind im Visier der Wissenschaftler. So druckten türkische Forscher an der Marmara-Universität in Istanbul 2020 eine künstliche Hornhaut. Diese äußere Schicht schützt das Innere des Auges und hilft beim Scharfsehen. Der Nanotechnologe Oguzhan Gunduz und sein Team fertigten 0,4 Millimeter dünne Hornhaut-Schichten aus einem speziellen Gel und untersuchten ihre optische Qualität. Das Ergebnis: Die Hornhäute aus dem Drucker eignen sich nicht nur in Form und Größe für eine präzise Lichtbrechung vor dem Auge – auch in ihrer Transparenz gleichen sie dem Original. Außerdem sind sie biokompatibel und hinreichend reißfest, um dem Augeninnendruck standzuhalten. Und die Forscher zeigten: Die künstlichen Hornhautstückchen lassen sich für einen klinischen Einsatz rasch und in großer Zahl produzieren.

Auf dem Weg dorthin sind auch australische Forscher um Payal Mukherjee von der University of Wollongong. Sie haben einen 3D-Drucker für künstliche Ohren entwickelt, der als Material Knorpelgewebe nutzt, das aus menschlichen Ohren entnommen wurde.

Mediziner am Royal Prince Alfred Hospital in Sydney arbeiten bereits mit dem Biodrucker „3D Alek“. Dort hat sich Gordon Wallace zum Ziel gesetzt, Mukherjees 3D-Ohrenersatz für Kinder mit angeborenen Fehlbildungen an den Ohren anzupassen. Wallace arbeitet an einer Biotinte, die als Zellpaste nicht nur gut druckbar ist, sondern dem Ohr auch die erforderliche mechanische Stabilität verleiht. „Am wichtigsten ist es, dass die lebenden Zellen von Haut und Knorpel beim Druckvorgang nicht beschädigt werden und dass sie sich danach zu einem fertigen 3D-Ohr entwickeln können“, betont der Forscher. Wenn ihm die Ersatzohren gelingen, will er das Verfahren künftig auch zum Drucken von neuen Nasen nutzen.