Ersatz-Lungen aus dem Labor sollen eines Tages Patientenleben retten. Doch voll funktionsfähige Organe zu züchten, erweist sich als schwierige Aufgabe – die bisher häufig gescheitert ist. Nun aber ist Forschern ein entscheidender Erfolg gelungen: Sie züchteten künstliche Lungenflügel, die sich nach der Transplantation bei Schweinen selbständig weiterentwickelten. Demnach bildeten die Organe im Körper mikroskopisch kleine Lungenbläschen und ein feines Netz aus Blutgefäßen aus – eine wichtige Voraussetzung für einen funktionierenden Gasaustausch.
Versagt die Lunge, kann Betroffenen nur noch ein Spenderorgan helfen. Doch die Wartelisten für Transplantationen sind lang – und selbst wenn rechtzeitig eine neue Lunge zur Verfügung steht, treten danach häufig Komplikationen auf. So kommt es bei rund 30 Prozent der Patienten im Laufe des ersten Jahres nach der Operation zu behandlungsbedürftigen Abstoßungsreaktionen. Zudem besteht die Gefahr eines tödlichen Transplantatversagens. All diese Probleme könnten mit dem sogenannten Tissue-Engineering beseitigt werden: der Gewebezucht im Labor. Dabei werden neue Organe aus körpereigenen Zellen des Patienten gezüchtet. Tatsächlich haben es Wissenschaftler bereits geschafft, künstliche Lungen mithilfe dieses Verfahrens herzustellen.
Doch bislang gibt es noch ein entscheidendes Problem: In Tierversuchen versagen diese Organe oft nach kurzer Zeit. Denn sie sind nicht dazu in der Lage, die komplexe Gewebe- und Gefäßarchitektur zu entwickeln, die für natürliche Lungen so typisch ist: mikroskopisch kleine Bronchiolen, Lungenbläschen und vor allem ein Netz aus feinsten Blutgefäßen. Nur mit diesen Strukturen können Blutfluss und Gasaustausch gut funktionieren und das Überleben der Lunge sicherstellen. Ein wichtiger Schritt hin zu diesem Ziel ist nun Forschern um Joan Nichols von der University of Texas in Galveston gelungen: Sie züchteten eine Lunge in der Petrischale, die nach der Transplantation selbständig kleine Blutgefäße ausbilden kann.
Selbständige Reifung
Für ihre Studie ließen die Wissenschaftler das Organ auf einem tierischen Gerüst wachsen, das sie aus der Lunge eines Schweins aufbauten. Dabei entfernten sie alle Zellen und sämtliches Blut aus dem Organ, sodass nur noch die Gerüstproteine übrigblieben. Auf dieses “Lungenskelett” trugen sie anschließend Lungenzellen auf. Diese stammten jeweils von Schweinen, die später die künstliche Lunge erhalten sollten. In einem nächsten Schritt wurde das Konstrukt in einen Bioreaktor gelegt. Dort entwickelte sich das Organ in einer speziellen Lösung aus Nähr- und Signalstoffen 30 Tage lang weiter. Wachstumsfaktoren sorgten dabei dafür, dass sich in dieser Phase auch erste Blutgefäße ausbildeten.
Dann folgte die entscheidende Operation: Vier Schweine erhielten dabei einen speziell auf sie abgestimmten Lungenflügel. Wie würden sich die Organe im Körper verhalten? Es zeigte sich: Schon zwei Wochen nach der Transplantation hatten alle Lungenflügel ein dichtes Netz aus feinen Blutgefäßen entwickelt. Zudem bildete sich gesundes Alveolen-Gewebe aus. “Die künstlichen Lungen entwickelten sich selbständig weiter, ohne Infusionen mit Wachstumsfaktoren”, berichtet Nichols. “Der Organismus stellte alle Bausteine zur Verfügung, die die neuen Organe für ihre weitere Reifung benötigten.” Daneben stellte sich heraus, dass die vormals sterilen Organe bereits nach kurzer Zeit von einer Vielzahl von Bakterien besiedelt wurden – so wie es bei jeder gesunden Lunge der Fall ist.
Bald Lungen für den Menschen?
Wie die Forscher berichten, zeigten sich auch zwei Monate nach der Operation keine Abstoßungsreaktionen. Damit scheint klar: Mit der nun erprobten Methode lassen sich Lungen herstellen, die sich erfolgreich an die Körperumgebung anpassen und sich dort adäquat weiterentwickeln. Unklar ist dagegen, wie gut die künstlichen Organe tatsächlich die Sauerstoffversorgung gewährleisten können. “Das haben wir nicht untersucht, weil alle Schweine neben dem Transplantat noch einen normalen, funktionierenden Lungenflügel hatten”, sagt Nichols Kollege Joaquin Cortiella. “Die künstlichen Lungenflügel waren nach zwei Monaten noch nicht reif genug, um die Tiere ausschließlich damit atmen zu lassen.”
In weiteren Studien gilt es daher herauszufinden, wie sich die künstlichen Lungen langfristig im Körper verhalten. “Unser finales Ziel ist es, neue Möglichkeiten für all jene Menschen zu eröffnen, die verzweifelt auf ein Spenderorgan warten”, konstatiert Nichols. Mit den entsprechenden Fördergeldern könnte es ihr zufolge in fünf bis zehn Jahren so weit sein.
Quelle: Joan Nichols (University of Texas, Galveston) et al., Science Translational Medicine, doi: 10.1126/scitranslmed.aao3926
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