Die spannendsten Projekte rund um 3D-gedruckte Organe

Der Biodruck ist eine Methode, um Zellstrukturen mit einer Biotinte aus Stammzellen herzustellen: Schicht für Schicht wird das Biomaterial aufgetragen, um Haut, Gewebe oder sogar Organe zu entwerfen. Stellen Sie sich also ein 3D-gedrucktes Herz, ein Ohr, eine Lunge oder auch eine Niere vor, die mit den eigenen Zellen eines Patienten maßgeschneidert hergestellt wird. Was für ein Fortschritt für die Medizinbranche! Jedoch ist es noch ein bisschen früh, um mit lebensfähigen und langlebigen bio-gedruckten Organen zu rechnen, denn das ist die Herausforderung für Forscher. Aber die Fortschritte sind schnell erkennbar und langfristig könnte der Biodruck dazu beitragen, den Mangel an Spenderorganen zu beheben oder ganz einfach bestimmte Pathologien besser zu verstehen. Wir möchten die wichtigsten Biodruck-Projekte der Welt hervorheben, sei es Gewebe, Organe oder auch Körperteile, die in 3D gedruckt werden.

3D-gedrucktes 3D-Herz

Ein Forschungsteam der Boston University hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie eine Miniaturnachbildung eines menschlichen Herzens entwickelt. Das Organ wurde  aus menschlichen Stammzellen, Herzzellen und mikroskopisch kleinen 3D-gedruckten Acrylteilen hergestellt. Hierbei handelt es sich um eine „präzisionsfähige miniaturisierte unidirektionale kardiale Mikrofluidikpumpe“, auch bekannt als miniPUMP. Das Erstaunliche an der miniPUMP ist, dass sie dank ihres lebenden Gewebes wie ein menschliches Herz von selbst schlagen kann.
Mit dieser Nachbildung der Herzkammer wollen die Forscher untersuchen, wie das Herz im menschlichen Körper funktioniert. Das Gerät könnte zum Beispiel eingesetzt werden, um besser zu verstehen, wie das Herz in einem Embryo wächst, wie das Herzgewebe durch Krankheiten beeinträchtigt wird oder wie wirksam neue Medikamente bei der Behandlung solcher Krankheiten sind. Eine echte Revolution also, die in Zukunft die Notwendigkeit von Menschenversuchen vermeiden könnte.

Links: eine großformatige Nachbildung des 3D-gedruckten Gerüsts, das das Herzgewebe trägt. (Bild: Christos Michas). Rechts: Eine im Labor aufgenommene Seitenansicht des miniPUMP. (Bild: Jackie Ricciardi)

3D-gedruckte Niere

Ein weiteres Paradebeispiel des Bioprintings entdecken wir in Bezug auf Nieren. Weltweit leiden unzählige Menschen an dessen Versagen, genauso schlimm ist es aber, dass es nicht gerade viele Möglichkeiten zur Behandlung gibt. Aus diesem Grund hat sich das US-amerikanische Unternehmen Trestle Biotherapeutics mit der Entwicklung von 3D-gedrucktem Gewebe beschäftigt, welches Patienten, die an einer Nierenerkrankung im Endstadium leiden, implantiert werden kann. Konkret handelt es sich dabei um komplett funktionelles Nierengewebe, welches die bisher verlorenen Nierenfunktionen ersetzen und auch ergänzen soll. Diese neue Therapie funktioniert laut Angaben von Trestle Biotherapeutics mittels der Integration von Stammzellbiologie in Kombination mit 3D-Bioprinting. Das Ziel des Teams von Trestle ist es hierbei nicht nur, die Betroffenen von der Behandlung der Dialyse zu befreien und mehr Zeit bis zur Transplantation zu geben, sondern so soll dieses mittels Bioprinting hergestellte Gewebe der Niere in der Zukunft als funktionsfähiges Ersatzorgan agieren.

Bild: Trestle Biotherapeutics

3D-Bioprinting einer Hornhaut

Jedes Jahr leiden mehr als 1,5 Millionen Menschen an Hornhautproblemen, die zur Erblindung führen können. Um dieses Problem zu lösen, hat eine Forschungsgruppe in Hyderabad, Indien, die Entwicklung der ersten biologisch gedruckten 3D-Hornhaut erfolgreich abgeschlossen. Das Gewebe selbst wird aus einer Biotinte hergestellt, die aus menschlichem Hornhautgewebe gewonnen wird, ohne dass andere künstliche oder synthetische Elemente hinzugefügt werden. Für jede gespendete menschliche Hornhaut können laut der Initiatoren des Projekts drei neue Hornhäute in 3D gedruckt werden. Diese Fortschritte im Bereich der Augenheilkunde werden dazu beitragen, Krankheiten wie Hornhautvernarbung und Keratokonus zu behandeln. Das Projekt wurde an Kaninchen getestet, und obwohl es noch einige Zeit dauern wird, bis es beim Menschen angewendet werden kann, waren die Ergebnisse erfolgreich und sehr vielversprechend.

Bild: IANS Photo

Eine Lösung zur Bekämpfung von Unfruchtbarkeit

Die Frauengesundheit ist ein medizinischer Bereich, der oft als wenig erforscht gilt, denn es gibt viele Erkrankungen, die derzeit nicht gut verstanden werden. Das 3D-Bioprinting von Teilen des Fortpflanzungssystems könnte den Wissenschaftlern jedoch helfen, das Zellverhalten und damit auch verschiedene Krankheiten besser zu verstehen. Im Jahr 2022 entwickelte eine Gruppe von Wissenschaftlern des Tongi-Krankenhauses in China einen 3D-gedruckten künstlichen Eierstock mit Zellen von Mäusen und Gelatine-Methacryloyl (GelMA), einem in der Biotechnik häufig verwendeten Hydrogel. Sie stellten fest, dass dieses Hydrogel für das 3D-Bioprinting geeignet ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es für primäre Eierstockzellen (d. h. direkt aus Gewebe gewonnene Eierstockzellen) nicht geeignet ist. Es eignete sich jedoch für das In-vitro-Wachstum von Ovarialfollikeln (d. h. einer Gruppe von Zellen, die eine unreife Eizelle und andere Zellen enthalten). Den Forschern zufolge könnten ihre Ergebnisse „bei der Behandlung von weiblichen endokrinen und reproduktiven Erkrankungen“ klinisch eingesetzt werden.

In einem ähnlichen Projekt an der Northwestern University züchteten Wissenschaftler eine Eizelle der Maus in einem bioprothetischen Eierstockgerüst. (Bild: Northwestern University)

Universität São Paulo druckt winzige Leber

Forschern der Universität von São Paulo in Brasilien ist es gelungen, 3D-Miniaturversionen einer menschlichen Leber aus Blutzellen zu drucken. Der Prozess dauerte circa 90 Tage, von der Blutentnahme bis zur eigentlichen Gewebeproduktion. Dies kleinen Lebern erfüllen alle Funktionen des menschlichen Organs: Produktion von lebenswichtigen Proteinen, Speicherung von Vitaminen und Gallenabsonderungen. Für die Herstellung des Lebergewebes verwendete das Team den Inkredible Biodrucker des Herstellers Cellink, einem der anerkanntesten Akteure auf dem Bio-Druckmarkt.

Die kleine Leber wurde binnen 90 Tage gedruckt (Bild: Agência FAPESP)

Ein 3D-gedrucktes Ohr

Einer an Mikrotie leidenden jungen Frau aus den USA wurde ein 3D-gedrucktes Ohrimplantat in den USA erfolgreich transplantiert. Bei der Erkrankung handelt es sich um eine angeborene Anomalie, die die Entwicklung des Außenohrs behindert. Das Implantat wurde von der Firma 3DBio Therapeutics aus Kollagenhydrogel und Knorpelzellen der Patientin hergestellt. Für die Knorpelentname aus dem Ohr reichen bereits ein halbes Gramm aus. Die Zellen, die für die Knorpelbildung verantwortlich sind, werden in einer patentierten Nährstoffmischung kultiviert und vermehren sich infolgedessen. Anschließend werden diese mit einer Biotinte vermischt. Innerhalb von 10 Minuten kann ein Ohr für Patienten gedruckt werden. Nach dem Druckvorgang wird das Ohr in einer Schutzhülle an den Chirurgen versendet, welcher dann die Transplantation durchführt.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Behandlungsmethode, hier wird eine Prothese aus Rippenknorpel hergestellt, ist diese Behandlung weniger aufwendig. Professor Anthony Atala, Direktor des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine unterstreicht die Bedeutung dieses Projekts: „Dies ist ein wichtiger Durchbruch für den Bereich der regenerativen Medizin. Der 3D-Druck zielt darauf ab, eine Reihe von Vorteilen gegenüber handgefertigtem künstlichem Gewebe zu bieten, darunter Skalierung, höhere Designgenauigkeit und geringere Kosten“.

Bild: 3DBio Therapeutics

Eine biologisch gedruckte Bauchspeicheldrüse soll bei der Bekämpfung von Diabetes helfen

Auch wenn die Bauchspeicheldrüse nicht zu den besprochenen inneren Organen gehört, spielt sie eine wichtige Rolle im Körper, da sie Insulin produziert. Wenn sie nicht richtig funktioniert, kann das schwerwiegende Folgen haben, nämlich Diabetes auslösen. Angesichts der Tatsache, dass weltweit mehr als 463 Millionen Menschen von dieser Krankheit betroffen sind, wird es immer wichtiger, dauerhafte und wirksame Lösungen für die Heilung von Diabetes zu finden, und insbesondere der 3D-Druck könnte dabei eine Rolle spielen. Ein Beispiel dafür ist das polnische Unternehmen Polbioionica. Das Unternehmen, das aus einem multidisziplinären Team von Wissenschaftlern der Foundation for Research and Development of Science hervorgegangen ist, die im März 2019 als erste eine bionische Bauchspeicheldrüse mit einem vollständigen Gefäßsystem per Bioprinting hergestellt haben, hat sich zum Ziel gesetzt, diese voll funktionsfähigen Organe aus eigenen Biotinten und Pankreasinseln sowie den eigenen Stammzellen des Patienten herzustellen. Das Unternehmen hofft, dass die maßgeschneiderte Lösung nicht nur eine Lösung für den sich weltweit verschärfenden Organmangel darstellt, sondern auch die Entwicklung von Komplikationen bei Diabetikern verhindern und gleichzeitig die Kosten im Gesundheitswesen senken kann.

Bild: Fundacja Badań i Rozwoju Nauki

Poietis und die 3D-Bioprinting-Haut

Poietis ist ein französisches Unternehmen, das sich auf 3D-Bioprinting-Lösungen spezialisiert hat. Es entwickelt und vermarktet eine Reihe von 3D-Bio-Druckern mit dem Namen Next Generation Bioprinting. Das Unternehmen ist besonders für seine Forschungsarbeiten im Bereich der Haut bekannt. So präsentiert Poietis die Poieskin, ein Modell der menschlichen Haut in voller Schichtdicke, welche vollständig durch 3D-Bioprinting hergestellt wird. Im Detail besteht diese aus einem dermalen Kompartiment, einer der drei Schichten der Haut zwischen Epidermis und Hypodermis. Diese besteht aus Fibroblasten, den Zellen der Dermis, die in Kollagen Typ 1 eingebettet sind, und von einer Epidermis bedeckt ist. Durch übereinander liegende Schichten entsteht ein 3D-Muster. Diese 3D-gedruckte Biohaut könnte denen helfen, die schwere Verbrennungen, Krebs oder andere Unfälle erlitten haben. Laut Poietis ermöglicht die hohe Präzision und Auflösung ihres 3D-Bio-Druckers die Herstellung kontrollierter 3D-Zellstrukturen und reproduzierbarer Muster von Hautgewebe. Der französische Hersteller konnte übrigens die erste klinische Studie mit dem eigenen 3D-Bio-Drucker durchführen. Außerdem wurde die Next Generation Bioprinting-Plattform in einem Krankenhaus installiert, um implantierbare biologische Gewebe herzustellen.

Hautersatz von Poietis (Bild: Poietis)

Die erste 3D-gedruckte Nasenrekonstruktion

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum ein Patient entstellt aussehen könnte, vor allem, wenn er an Krankheiten leidet, die eine Operation erfordern. Und obwohl die Behandlung von Krankheiten natürlich am wichtigsten ist, kann es für den Patienten schwierig sein, sein Aussehen plötzlich zu verändern. Glücklicherweise kann das Bioprinting auch dieses Problem lösen. In einem Fall des Krebsinstituts der Universität Toulouse und des CERHUM konnte eine Patientin, die während der Behandlung eines Nasenhöhlenkrebses einen großen Teil ihrer Nase sowie den vorderen Teil ihres Gaumens verloren hatte, im Wesentlichen ihre eigene Nase wachsen lassen, was eine vollständige Rekonstruktion ermöglichte. Die behandelnden Ärzte waren Dr. Agnes Dupret-Bories und Dr. Benjamin Vairel. Das Verfahren dazu umfasste mehrere Schritte, beginnend mit einem 3D-gedruckten Biomaterial, das unter die Haut am Unterarm der Patientin implantiert wurde, um die Vaskularisierung, also das Einwachsen von Blutgefäßen in ein Gewebe, zu ermöglichen. Nach zwei Monaten war die Besiedlung des medizinischen Geräts abgeschlossen und es wurde in den Nasenbereich transplantiert und erfolgreich revaskularisiert, so dass die Patientin eine voll funktionsfähige Nase aus ihren eigenen Zellen erhielt.

Bild: CERHUM/Universitätsklinikum Toulouse

Sehen Sie sich weitere Projekte im Bezug auf 3D-gedruckte Organe in unserem Video an!

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