3D-Eisdruck kann künstliche Blutgefäße erzeugen – ein Durchbruch für im Labor gezüchtete Organe

Da der Bedarf an Organspenden, insbesondere an Herzen, Nieren und Lebern, immer größer wird, widmen sich immer mehr Wissenschaftler der Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung lebensfähiger künstlicher Organe, auch wenn der Erfolg in den letzten Jahren eher gering war. Jetzt konnte eine neue mögliche Lösung aufgezeigt werden. Forscher der Carnegie Mellon University haben einen Weg gefunden, die Lücke zwischen verfügbaren Organen und dem Bedarf an Transplantaten zu schließen. Mit Hilfe des 3D-Drucks mit Eis ist es ihnen gelungen, Strukturen zu schaffen, die Blutgefäßen ähneln, deren natürliches Design imitieren und ihnen ermöglichen, im Körper richtig zu funktionieren.

Die Nachricht kommt zu einem günstigen Zeitpunkt. Nach Angaben der Division of Transplantation (DoT), der Bundesbehörde, die für die Überwachung der Transplantationssysteme für Organe und Blutstammzellen in den USA zuständig ist, standen im Jahr 2024 103 223 Männer, Frauen und Kinder auf der nationalen Warteliste für Transplantationen. Und die Zahl steigt ständig, denn alle 8 Minuten kommt eine neue Person hinzu.

Viele Menschen, die auf der Liste für Organtransplantationen stehen, warten schon seit geraumer Zeit, insbesondere auf Organe, für die eine hohe Nachfrage besteht, wie z. B. Nieren (Bild: HRSA)

Hinzu kommt, dass laut Schätzungen des amerikanischen Gesundheitsministeriums jeden Tag etwa 17 Menschen sterben, die auf eine Organtransplantation warten, also über 6000 pro Jahr. Aus diesem Grund wurde so viel Zeit und Forschung darauf verwendet, nicht nur die Zahl der Organspender zu erhöhen, sondern auch alternative Wege zu lebensfähigen Organen zu finden. In diesem Zusammenhang wird viel Hoffnung in Methoden wie den 3D-Druck gesetzt.

Auch wenn viel Arbeit in Techniken wie das Bioprinting gesteckt wurde, gibt es immer wieder Hindernisse bei der Herstellung von im Labor gezüchteten Organen. Das größte Hindernis besteht darin, dass es eine große Herausforderung ist, in künstlichen Organen Blutgefäßnetze zu schaffen, die wie natürliche funktionieren. Herkömmliche künstliche Blutgefäße sind in der Regel nicht in der Lage, natürliche Gefäße zu imitieren, und können daher nicht richtig funktionieren. Jetzt zeigt der 3D-Eisdruck neue Perspektiven auf.

3D-Eisdruck zur Herstellung künstlicher Blutgefäße

Der 3D-Eisdruck ist ein Verfahren, das ursprünglich 2022 von Ingenieursforschern an der Carnegie Mellon University entwickelt wurde. Bei diesem Verfahren wird im Allgemeinen ein Wasserstrom auf eine sehr kalte Oberfläche geleitet. Dabei handelt es sich um „schweres Wasser“, d. h. die Wasserstoffatome im Wasser werden durch Deuterium ersetzt, was dem Wasser einen höheren Gefrierpunkt verleiht und zu einer glatten Textur verhilft. Wie zu erwarten, wird das Teil durch schichtweises Einfrieren des Wassers hergestellt.

Feimo Yang, ein Doktorand in den Labors von Philip LeDuc und Burak Ozdoganlar an der Carnegie Mellon University, der diese Forschung leitete, erklärt, wie sich der 3D-Eisdruck von anderen Verfahren unterscheidet: „Unsere Methode unterscheidet sich von anderen Arten des 3D-Drucks dadurch, dass wir das Wasser während des Drucks nicht vollständig gefrieren lassen, sondern es in einer flüssigen Phase belassen. Dieser kontinuierliche Prozess, den wir Freiform nennen, hilft uns, eine sehr glatte Struktur zu erhalten. Wir haben keinen Schichteffekt, wie er bei vielen 3D-Druckverfahren üblich ist.“

Bild: Feimo Yang

Nachdem die 3D-gedruckten Eisschablonen fertig sind, werden sie in ein Gelatinematerial, GelMA, eingebettet. Dieses wird mit UV-Licht bestrahlt, wodurch die Gelatine aushärtet und das Eis schmilzt. Das Ergebnis sind dann realistische Blutgefäßkanäle. Dieses Vorgehen ist relativ erfolgreich, denn die Forscher konnten zeigen, dass sie Endothelzellen, die alle Blutgefäße auskleiden und den Austausch zwischen dem Blutkreislauf und dem umliegenden Gewebe regeln, in diese künstlichen Blutgefäße einbringen konnten. Die Zellen überlebten auf der Gelatine bis zu zwei Wochen, und nun wollen die Forscher die Zellen über einen längeren Zeitraum kultivieren.

Neben der Organtransplantation könnte diese Forschung auch ideal sein, um die Wirkung von Medikamenten auf Blutgefäße zu testen. Und sie sind sicherlich ein großer Schritt nach vorn bei der Schaffung komplexer, naturgetreuer Blutgefäßnetze für die Gewebezüchtung und vielleicht ein großer Durchbruch bei der Schaffung künstlicher Organe. Weitere Informationen finden Sie in der Pressemitteilung HIER.

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*Titelbildnachweis: Carnegie Mellon University