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3D-Drucker: Wann drucken wir uns gesund?

ZEIT ONLINE-Logo ZEIT ONLINE 25.09.2018 Clara Hellner

Aus speziellen Kunststoffen werden in der Medizin schon länger Handprothesen gedruckt. Gedruckte menschliche Zellen sind im klinischen Alltag aber noch nicht angekommen. © Ikon Images/AP/dpa Aus speziellen Kunststoffen werden in der Medizin schon länger Handprothesen gedruckt. Gedruckte menschliche Zellen sind im klinischen Alltag aber noch nicht angekommen.

Immer individueller, immer genauer wird die Medizin. Bestenfalls liefern 3D-Drucker dafür perfekte Teile – von der Zahnfüllung bis zum Organ. Erste Erfolge gibt es schon.

Der Arzt entnimmt dem Patienten Blut, züchtet daraus Herzzellen und druckt mit dem 3D-Drucker ein neues Herz: Geht es nach der amerikanischen Biotechnologie-Firma Biolife4D wird das in den nächsten Jahren Realität. Ein neues Herz würde ungeschehen machen, was Zigaretten, Übergewicht und das Alter beschädigt haben – und könnte den 17,3 Millionen Menschen, die nach einer Studie der American Heart Association jedes Jahr an einem kranken Herzen sterben (AHA Journals: D. Mozaffarian et. al, 2015), das Leben retten.

Aus speziellen Kunststoffen oder Metallen werden in der Medizin schon länger Hand- oder Beinprothesen, Hörgeräte und Zahnprothesen gedruckt. Der Kiefer oder ein Abdruck des Ohrs des Patienten wird durch einen Laserscan ausgemessen, sodass das Implantat genau zum Körper des Patienten passt. Am Computer wird eine 3D-Druckvorlage entworfen, nach der die Druckmaschine Schicht für Schicht das geschmolzene Metall oder Kunststoff in winzigen Kügelchen auf eine Unterlage spritzt. Dann wird jede Schicht einzeln abgekühlt oder mit einem Laser bestrahlt, um auszuhärten. 

Gedruckte menschliche Zellen, wie Biolife4D es sich vorstellt, sind im klinischen Alltag aber noch nicht angekommen. Um mit Zellen zu drucken ist eine besondere Form des 3D-Drucks notwendig: das Bioprinting. Aus ein paar Blut-, Fett- oder anderen Gewebezellen züchten Forscher eine große Zahl Zellen und mischen diese mit einem wässrigen, gelatineartigen Gel. Zellen und Gelmasse bilden die Biotinte. Genau wie beim normalen 3D-Druck wird diese Biotinte dann durch die Druckerdrüsen auf eine Unterlage gespritzt. Dadurch bildet sich Schicht für Schicht eine 3D-Struktur nach der Computervorlage – aus menschlichen Zellen.

Der Vorteil beim 3D-Drucken ist, dass man vergleichsweise gut kontrollieren kann, welche Zellen sich wo im Raum ansiedeln

Peter Koltay, Physiker

Forscherinnen und Forscher versuchen schon lange, menschliches Körpergewebe im Labor zu züchten. Oft werden dafür menschliche Zellen auf einem festen Gerüst angesiedelt; etwa Haut- und Knorpelzellen auf einem Gerüst in Form eines menschlichen Ohrs. Das Problem bei dieser Methode ohne 3D-Drucker: Die Zellen wachsen nicht am Gerüst fest oder verteilen sich an Stellen, an denen die Wissenschaftlerinnen sie nicht haben wollen. "Der Vorteil beim 3D-Drucken ist, dass man vergleichsweise gut kontrollieren kann, welche Zellen sich wo im Raum ansiedeln", sagt der Physiker Peter Koltay, der sich am Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit der Anwendung von 3D-Druck beschäftigt. So können auch Teile des Körpers gedruckt werden, die aus vielen verschiedenen Zellarten aufgebaut sind, zum Beispiel Nieren- oder Lebergewebe. 

Vielleicht ist das Bioprinting deshalb der entscheidende Schritt auf dem Weg dahin, eines Tages ganze Organe zu drucken. Das wäre ein riesiger Erfolg. Denn weltweit brauchen viel mehr Menschen ein neues Organ, als es Spender gibt. Es geht dabei nicht immer um Herz, Leber oder Niere. Mehr als fünf Millionen Menschen weltweit bräuchten laut WHO eine Hornhaut-Transplantation, um wieder sehen zu können. Sie haben ihre Hornhaut, den äußersten Teil des Augapfels, durch einen schweren Infekt verloren oder bei einem Unfall verletzt.

Kommen Hornhaut-Transplantate für diese Menschen in Zukunft aus dem 3D-Drucker? Forscherinnen und Forscher der englischen Newcastle University (ScienceDirect: Isaacson et. al, 2018) haben zumindest schon eine Hornhaut gedruckt, die nur aus menschlichen Zellen besteht. Sie maßen das Auge des kranken Patienten aus und druckten mit einer Biotinte aus Stammzellen und Alginat, einer gelartigen Substanz, kreisförmige Schichten in Form der Hornhaut des Patienten. Bis sie transplantiert werden kann, wird es aber noch einige Jahre dauern, sagen die Wissenschaftler. Sie wollen noch erforschen, ob die Zell-Gel-Masse nicht irgendwann doch zerfließt – und die gedruckte Hornhaut es wirklich mit der menschlichen aufnehmen kann und das Auge scharf sehen lässt.

Dringend gebraucht werden auch Herzklappenimplantate. Patienten bekommen bisher Schweine- oder Rinderklappen oder eine künstliche Herzklappe aus speziellem Kunststoff eingesetzt. Beide Möglichkeiten sind aber lange nicht so gut wie das Original – sie zwingen den Träger dazu, für den Rest des Lebens Medikamente zu nehmen, oder müssen nach ein paar Jahren wieder ausgetauscht werden. Besser wäre eine Herzklappe aus menschlichen Zellen. Forscherinnen und Forscher der amerikanischen Cornell University haben das schon probiert: Sie züchteten menschliche Muskelzellen, die sie einem Patienten während einer Herzoperation entnahmen, und Bindegewebszellen aus der Herzklappe von einem Schwein. Aus dieser Biotinte druckten sie eine Herzklappe nach menschlichem Vorbild (NCBI: Duan et. al, 2012) Die gedruckte Version bestand Labortests, die die hohen Drücke und Belastungen für die Herzklappe im menschlichen Körper nachstellen sollen. Aber die Forscher entdeckten, dass sie an manchen Stellen weniger reißfest und stabil ist als an anderen. Deshalb wird es wohl noch dauern, bis die gedruckte Herzklappe dem ersten Patienten eingesetzt werden kann.  

Zuversichtlicher sind spanische Forscherinnen und Forscher, die aus Blutplasma und zwei verschiedenen Zelltypen der Haut, die Kollagen und die Hornschicht bilden, eine Biotinte herstellen. Daraus druckten sie Haut, die von menschlicher Haut kaum zu unterscheiden ist (IOPscience: Cubo et al., 2016). Zwar kann Haut auch im Labor gezüchtet werden, etwa für Verbrennungsopfer. Der 3D-Druckprozess ist jedoch deutlich schneller.

"Aus fast allen Geweben wurden schon Zellen entnommen und gedruckt", sagt Peter Koltay. "Trotzdem ist das, was man durch 3D-Druck herstellen kann, noch weit weg vom menschlichen Vorbild." Ein großes Problem für die Forscherinnen und Forscher bleibt bisher, die inneren Zellschichten bei größeren, dickeren Modellen mit ausreichend Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Der menschliche Körper löst das durch ein weitverzweigtes Netzwerk aus winzigen Blutgefäßen. So ein Blutgefäßnetzwerk haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Harvard University zwar schon mit dem 3D-Drucker hergestellt (Wiley Online Library: Kolesky et al., 2014) – dieses Netzwerk müsste aber direkt in das Körpergewebe eingedruckt werden. Und das klappt noch nicht. Bisher müssen die Forscher ihre Haut- oder Muskelzellen also in eine Nährlösung packen, aus der die Zellen abtransportieren, was sie brauchen. Eine Zelle kann dabei aber nur wenige Millimeter überbrücken. Das gedruckte Gewebe darf also nicht sehr dick sein, damit keine Zelle innen liegt und verhungert.

In manchen Bereichen der Medizin reichen diese wenigen Millimeter. Der US-amerikanische Konzern Organovo stellt mit 3D-Druckern kleine Stücke Leber- und Nierengewebe in dieser Größe für die Pharmaindustrie her. An den Zellen wird im Labor getestet, wie eine Leber oder Niere auf neue Medikamente reagiert. Das funktioniert, weil die chemischen Stoffwechselvorgänge in den winzigen Zellen genauso ablaufen wie im großen Organ. Die Idee dahinter: Pharmakonzerne müssen für ihre Forschung nicht mehr auf Tierversuche zurückgreifen und entdecken gleichzeitig früher, wenn ein neues Medikament die Leber oder Niere schädigt. 

Welches Gel ist am besten geeignet? Welche Konsistenz sollte es haben?

Helfen können gedruckte Leberzellen auch in der Tumortherapie. Welche Chemo ein Patient mit Lebertumor bekommt, hängt bisher von einer Skala ab, die den Tumor nach Größe und bestimmten Laborwerten einteilt. "So wird nicht berücksichtigt, dass es verschiedene Lebertumoren gibt. Es kann passieren, dass das Medikament den Tumor gar nicht angreift", sagt Meik Neufurth, der am Institut für Physiologische Chemie der Universität Mainz forscht. Gemeinsam mit der Uni Regensburg entwickelt er eine individualisierte Therapie für Patienten mit Lebertumor. Dafür drucken die Forscherinnen Mini-Tumoren aus den der kranken Leber entnommenen, herangezüchteten Tumorzellen. An diesen Mini-Tumoren kann dann getestet werden, welche Medikamente die Tumorzellen am besten bekämpfen.

Eine gedruckte Herzklappe oder Organe in Miniaturform: Das klingt beeindruckend. Trotzdem steht das Drucken aus menschlichen Zellen noch am Anfang. Nicht nur die Ernährung der neu gedruckten Zellen ist ein ungelöstes Problem. Fast alles am Bioprinting muss weiterentwickelt werden. So wird bei den Materialien, die die Forscher in die Druckmaschine packen, noch viel ausprobiert. Welches Gel ist am besten geeignet, und welche Konsistenz sollte es haben? Funktioniert Alginat – eine Art asiatische Gelatine – oder sollte man doch lieber tierisches Kollagen nehmen, das dem menschlichen sehr ähnlich ist?

Bioprinting ist auch deshalb so viel komplizierter als normaler 3D-Druck, weil die Zellen zum Drucken nicht beliebig zerkleinert und durch die Drüsen gequetscht werden können. "Die Zellen sind viel weniger temperaturresistent als Kunststoff oder Metall", sagt der Physiker Koltay. "Und sie brauchen eine feuchte Umgebung, um überleben zu können. Trotzdem muss das Gel fest genug sein, um in eine Form gedruckt werden zu können." 

Noch ist das Forschungsfeld wahnsinnig unübersichtlich

Auch über das Zellmaterial selbst wissen die Forscherinnen und Forscher zu wenig. Während des Druckens können sie die Zellen gut steuern, aber wie verhält sich die Bindegewebszelle in der Hornhaut oder die Muskelzelle in der Herzklappe danach? Das bleibt der Zelle weitestgehend selbst überlassen. Was eine Zelle dazu bringt, sich zu bewegen oder zu teilen, ist noch nicht genug erforscht. Niemand kann vorhersagen, ob eine Herzmuskelzelle später sogar zu einer Tumorzelle wird.

Die Wissenschaftler Neufurth und Koltay geben deshalb nur zurückhaltende Prognosen ab. Das Forschungsfeld des Bioprinting ist wahnsinnig unübersichtlich und entwickelt sich ständig weiter. Überall auf der Welt beschäftigen sich Universitäten und Institute mit gedruckten Leber-, Haut- oder Knorpelzellen. Dazu kommen viele private Biotechnologie-Unternehmen, die zum Teil mit märchenhaften Visionen ins Geschäft starten. Vieles davon, zum Beispiel Biolife4Ds neu gedrucktes Herz für jeden Herzkranken, wird wohl noch einige Zeit nur eine verlockende Wunschvorstellung bleiben. Fragt man Koltay, ist er sich sicher: "Um sagen zu können, wann ganze Organe gedruckt werden können, ist es noch viel zu früh."

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