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Seit Jahren sagen Wissenschaftler voraus, dass der 3-D-Druck – der bereits zur Herstellung von Spielzeug, Häusern, wissenschaftlichen Werkzeugen und sogar eines Plastikhasen, der einen DNA-Code für seine eigene Replikation enthielt, verwendet wurde – eines Tages dazu genutzt werden könnte, lebende menschliche Körperteile zu drucken, um den Mangel an Spenderorganen zu lindern. Bisher haben Forscher den 3-D-Druck auch in der Medizin und Zahnmedizin eingesetzt, um Zahnimplantate, Prothesen und Modelle für Chirurgen herzustellen, an denen sie üben können, bevor sie einen Schnitt am Patienten vornehmen. Aber viele Forscher sind über den Druck von Kunststoffen und Metallen hinausgegangen und drucken mit Zellen, die dann lebendes menschliches Gewebe bilden.
Noch hat niemand voll funktionsfähige, transplantierbare menschliche Organe gedruckt, aber die Wissenschaftler kommen dem näher, indem sie Gewebeteile herstellen, die zum Testen von Medikamenten verwendet werden können, und Methoden entwickeln, um die Herausforderungen bei der Nachbildung der komplexen Biologie des Körpers zu meistern.
Erste Schritte
Der erste 3-D-Drucker wurde in den späten 1980er Jahren entwickelt. Er konnte kleine Objekte drucken, die mit Hilfe von CAD-Software entworfen wurden. Ein Entwurf wurde virtuell in Schichten zerlegt, die nur drei Tausendstel Millimeter dick waren. Dann setzt der Drucker das Design zu einem vollständigen Produkt zusammen.
Es gibt zwei Hauptstrategien, die ein Drucker anwenden kann, um das Muster zu erstellen: Er kann eine Paste durch eine sehr feine Spitze extrudieren und das Design von unten nach oben drucken, wobei jede Schicht von den vorherigen Schichten unterstützt wird. Alternativ könnte er mit einem mit Harz gefüllten Behälter beginnen und einen spitzen Laser verwenden, um Teile dieses Harzes zu verfestigen, um ein festes Objekt von oben nach unten zu schaffen, das dann angehoben und aus dem umgebenden Harz entfernt wird.
Wenn es darum geht, Zellen und Biomaterialien zu drucken, um Nachbildungen von Körperteilen und Organen herzustellen, gelten dieselben beiden Strategien, aber die Fähigkeit, mit biologischen Materialien auf diese Weise zu arbeiten, erfordert den Beitrag von Zellbiologen, Ingenieuren, Entwicklungsbiologen, Materialwissenschaftlern und anderen.
Bislang haben Wissenschaftler Miniorganoide und mikrofluidische Gewebemodelle gedruckt, auch bekannt als Organe auf Chips. Beide haben praktische und theoretische Erkenntnisse über die Funktion des menschlichen Körpers geliefert. Einige dieser Modelle werden von Pharmaunternehmen verwendet, um Medikamente zu testen, bevor sie in Tierversuchen und schließlich in klinischen Studien eingesetzt werden. Eine Gruppe druckte beispielsweise Herzzellen auf einen Chip und schloss ihn an einen Bioreaktor an, um damit die Herztoxizität eines bekannten Krebsmedikaments, Doxorubicin, zu testen. Das Team zeigte, dass die Schlagfrequenz der Zellen nach der Einwirkung des Medikaments drastisch abnahm.
Wissenschaftler müssen jedoch noch Organe konstruieren, die die unzähligen strukturellen Merkmale und Funktionen menschlichen Gewebes wirklich nachbilden. „Es gibt eine Reihe von Unternehmen, die versuchen, Dinge wie 3-D-gedruckte Ohren herzustellen“, und Forscher haben bereits berichtet, dass sie 3-D-gedruckte Ohren an Kinder verpflanzt haben, deren Ohren aufgrund von Geburtsfehlern unterentwickelt waren, bemerkt Robby Bowles, ein Bioingenieur an der Universität von Utah. Die Ohrentransplantationen sind, wie er sagt, „eine Art erster Beweis des Konzepts des 3-D-Drucks für die Medizin“
Siehe vollständige Bildunterschrift
Bowles fügt hinzu, dass die Forscher noch „weit davon entfernt“ sind, komplexere Gewebe und Organe zu drucken, die in lebende Organismen transplantiert werden können. Aber für viele Wissenschaftler ist genau das das Ziel. Im Februar 2020 warteten nach Angaben des United Network for Organ Sharing mehr als 112.000 Menschen in den USA auf eine Organtransplantation. Etwa 20 von ihnen sterben jeden Tag.
Seit vielen Jahren versuchen Bioingenieure, 3-D-Gerüste zu bauen, die sie mit Stammzellen bestücken können, die sich schließlich differenzieren und in die Form von Organen wachsen, aber „diese Techniken erlauben es größtenteils nicht, eine Art Organisation von Gradienten und Mustern in das Gewebe einzuführen“, sagt Bowles. „Es gibt keine Kontrolle darüber, wohin die Zellen in diesem Gewebe gehen“. Im Gegensatz dazu ermöglicht der 3-D-Druck den Forschern, die Platzierung der Zellen sehr genau zu steuern – ein Kunststück, das zu einer besseren Kontrolle der Organentwicklung führen könnte.
Differenzierung
Im Idealfall würden 3-D-gedruckte Organe aus Zellen hergestellt, die das Immunsystem eines Patienten als seine eigenen erkennen könnte, um eine Immunabstoßung und die Notwendigkeit der Einnahme von immunsuppressiven Medikamenten zu vermeiden. Solche Organe könnten möglicherweise aus patientenspezifischen induzierten pluripotenten Stammzellen hergestellt werden, aber eine Herausforderung besteht darin, die Zellen dazu zu bringen, sich in den Subtyp reifer Zellen zu differenzieren, der für den Aufbau eines bestimmten Organs benötigt wird. „Die Schwierigkeit besteht darin, komplexe Muster von Zellen und Biomaterialien zusammenzubringen, um verschiedene Funktionen der unterschiedlichen Gewebe und Organe zu erzeugen“, sagt Bowles.
Um die in vivo zu beobachtenden Muster zu imitieren, drucken Wissenschaftler Zellen in Hydrogele oder andere Umgebungen mit molekularen Signalen und Gradienten, die die Zellen dazu bringen sollen, sich zu lebensechten Organen zu organisieren. Die Wissenschaftler können diese Hydrogele auch im 3-D-Druckverfahren herstellen. Mit anderen Techniken wurden in der Regel zweidimensionale Muster erzielt“, erklärt Eben Alsberg, Bioingenieur an der Universität von Illinois, in einer E-Mail an The Scientist. „Das dreidimensionale Bioprinting erlaubt eine viel bessere Kontrolle über die Signaldarstellung in 3D.“
Bislang haben Forscher Gewebestücke geschaffen, die Teile bestimmter Organe nachahmen, aber es ist ihnen nicht gelungen, die Komplexität oder Zelldichte eines ganzen Organs zu replizieren. Aber bei manchen Patienten könnte sogar ein Pflaster eine wirksame Behandlung sein. Ende 2016 kündigte das Unternehmen Organovo den Start eines Programms zur Entwicklung von 3-D-gedrucktem Lebergewebe für menschliche Transplantationen an, nachdem eine Studie gezeigt hatte, dass transplantierte Pflaster aus 3-D-gedruckten Leberzellen in einem Mausmodell für eine genetische Lebererkrankung erfolgreich eingepflanzt wurden und mehrere Biomarker erhöhten, die auf eine Verbesserung der Leberfunktion hindeuteten.
Gefäßsystem
Nur in den letzten Jahren haben Forscher begonnen, Fortschritte bei einer der größten Herausforderungen beim 3-D-Druck von Organen zu machen: der Schaffung von Gefäßen. Nachdem die Pflaster in der Organovo-Studie in die Mäuseleber eingepflanzt worden waren, wurden sie durch das umgebende Lebergewebe mit Blut versorgt, aber ein ganzes Organ müsste für den Blutfluss vorbereitet werden.
„Damit Zellen am Leben bleiben, brauchen sie eine Blutversorgung, es kann also nicht nur ein riesiges Stück Gewebe sein“, sagt Courtney Gegg, Senior Director of Tissue Engineering bei Prellis Biologics, einem Unternehmen, das Gerüste für 3-D-gedrucktes Gewebe herstellt und verkauft. „
Mark Skylar-Scott, Bioingenieur am Wyss-Institut, sagt, dass dieses Problem „die Gewebezüchtung seit Jahrzehnten behindert“. Doch 2018 gelang es Sébastian Uzel, Skylar-Scott und einem Team am Wyss-Institut, eine winzige, schlagende Herzkammer mit Blutgefäßen im 3-D-Druck herzustellen. Ein paar Tage nach dem Druck des Gewebes sagte Uzel, dass er ins Labor kam und ein Stück zuckendes Gewebe vorfand, was sowohl „sehr erschreckend als auch aufregend“ war.
Damit Zellen am Leben bleiben können, brauchen sie eine Blutversorgung, also kann es nicht nur ein riesiger Klumpen Gewebe sein.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Anstatt die Venen schichtweise zu drucken, verwendete das Team den eingebetteten Druck – eine Technik, bei der das Material nicht vom Boden eines Objektträgers aufwärts aufgebaut wird, sondern direkt in ein Bad oder eine Matrix extrudiert wird. Diese Strategie, die es den Forschern ermöglicht, „freie Formen in 3-D zu drucken“, so Skylar-Scott, anstatt jede Schicht übereinander drucken zu müssen, um die Struktur zu stützen, ist eine effizientere Methode zum Drucken eines Gefäßbaums. Die Matrix war in diesem Fall das zelluläre Material, aus dem die Herzkammer besteht. Eine gelatineartige Tinte schob diese Zellen sanft aus dem Weg, um ein Netzwerk von Kanälen zu schaffen. Nach Abschluss des Druckvorgangs wurde die Kombination erwärmt. Durch die Hitze verfestigte sich die Zellmatrix, während sich die Gelatine verflüssigte, so dass sie anschließend ausgespült werden konnte und Platz für den Blutfluss ließ.
Das bedeutet jedoch nicht, dass das Problem vollständig gelöst ist. Die Herzkammer des Wyss-Instituts hat zwar Blutgefäße, aber nicht annähernd so viele wie ein Herz in Originalgröße. Gegg weist darauf hin, dass, um die menschliche Biologie wirklich zu imitieren, „eine einzelne Zelle innerhalb von 200 Mikrometern von der nächsten Blutversorgung entfernt sein muss. . . . Alles muss sehr, sehr nah sein.“ Das ist weitaus komplizierter als das, was die Forscher bisher gedruckt haben.
Aufgrund der Hürden beim Hinzufügen von Blutgefäßen und vieler anderer Herausforderungen, mit denen 3-D-gedruckte Gewebe noch konfrontiert sind, werden die im Labor hergestellten Organe nicht so bald für Transplantationen zur Verfügung stehen. In der Zwischenzeit trägt der 3-D-Druck von Gewebeteilen dazu bei, sowohl die Grundlagenforschung als auch die klinische Forschung über den menschlichen Körper zu beschleunigen.
Emma Yasinski ist freiberufliche Reporterin in Florida. Folgen Sie ihr auf Twitter @EmmaYas24.