Medizin: Mangel an menschlichem Gewebe bald passé?
Herzkrankheiten sind heutzutage keine Seltenheit mehr. Immer öfter kommt es zu dringlichen Transplantationen, wobei der Bestand an verfügbaren Herzen einen großen Mangel aufweist. Es ist demnach offensichtlich, dass hierbei eine dringende Notwendigkeit besteht, einen alternativen Behandlungsansatz zu finden. Wie kann der 3D-Druck zur Herstellung von menschlichem Gewebe beitragen? Trotz der jüngsten Fortschritte im Bereich der künstlichen Gewebe- und Organherstellung stellt die Fertigung von großen und vor allem lebensfähigen und funktionalen Organe immer noch eine große Herausforderung dar. Nun ist es chinesischen Forschern aber erstmals gelungen, lebendiges Herzgewebe dank 3D-Druck anfertigen zu können. Das hochkomplexe Gewebe wurde von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) durch die Umwandlung eines sechsachsigen Roboterarms in einen 3D-Biodrucker hergestellt und gilt somit für rund mindestens sechs Monate als „lebendiges“ Herzgewebe. Das Problem bei der bisherigen Herstellung von Gewebe war besonders, dass die Zellfunktionen während des gesamten Prozesses nicht erhalten bleiben. Zudem konnte das Forscherteam auch Blutgefäßgerüste herstellen, von der die Medizin in Zukunft profitieren könnte.
Bereits im Jahr 2019 veröffentlichten israelische Forscher den Durchbruch im medizinischen 3D-Druck, indem sie ein Mini-Herz aus menschlichem Gewebe hergestellt haben. Das Herz, das die Größe eines Hasenherz aufwies, hatte allerdings im Gegensatz zu dem vom CAS gedruckten Gewebe einen Nachteil: die Zellen waren noch nicht in der Lage, sich synchron zusammenzuziehen. Das bedeutet konkret, dass somit eine Transplantation eines funktionierenden Herzens nicht möglich wäre. Die Umwandlung des sechsachsigen Roboterarms in einen 3D-Biodrucker ermöglicht es laut den Forschern der CAS nun, Zellen aus allen Richtungen drucken zu können. Damit geht eine enorme Flexibilität einher, die vorhergegangene 3D-Biodrucker nicht aufweisen konnten. Insgesamt handelt es sich bei einem 3D-Biodrucker um einen 3D-Drucker für organische Substanzen, der aus dem Bereich des Tissue Engineering kommt und die Herstellung aus lebendem Gewebe vorsieht.
Zwei Roboterarme, die in 3D-Biodrucker umgewandelt worden sind, ermöglichen den Druck von komplexen menschlichen Gewebe (Bild: CAS)
Gesundheitlicher Problemlöser aus dem 3D-Drucker?
Das Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sah allen voran ein essentielles Problem im Bezug auf die aktuellen Möglichkeiten der Gewebeherstellung mittels additiver Fertigung: die Zersetzung des gedruckten Gewebes und dahergehend auch die biologische Funktionalität dessen. Um dieses Hindernis überwinden zu können, nutzten sie den sechsarmigen Roboterarm als 3D-Biodrucker, damit so der Zelldruck aus allen Richtungen ermöglicht werden kann. Da ein jedes menschliches Gewebe aus einer Unmenge an einzelnen Zellen besteht, mussten die Forscher besonders auf die individuellen Bildungen von Zell-Zell-Verbindungen aufrechterhalten und besonders fördern. Dafür nutzten sie neben dem Bioprinter ein dafür eigens entwickeltes Ölbad, welches während dem Zelldrucks zum Einsatz. Dadurch konnte der Entwurf einer wiederholten Print-and-Culture-Bioprinting-Strategie umgesetzt werden, um so die Nachahmung des In-vivo-Organentwicklungsprozesses herstellen zu können. Das gewährleistet die Erhaltung der natürlichen Funktionen der Zellen während und besonders nach dem Druck.
Das überlebensfähige Herz aus additiver Herstellung
Um sich ganz besonders auf den Druck von Herzgewebe fokussieren zu können, wurde hierbei der selbst entworfene Bioreaktor hinzugezogen, um langfristig überlebensfähiges Herzgewebe additiv herstellen zu können. Dieser Vorgang stellt nicht nur eine vielversprechende Lösung hinsichtlich der Fertigung von Herzgewebe dar, sondern kann auch als genereller Problemlöser in der Organentwicklung und Herstellung komplexer Organe gelten. Um aber solch überlebensfähige Organe herstellen zu können, muss sowohl das menschliche Gewebe wie auch die Organe selbst mit Blutgefäßnetzwerke verbunden sein – und das hoffentlich bald schon Serienmäßig aus dem 3D-Drucker.
Um die Machbarkeit dieser Forschung unter Beweis stellen zu können, wurde ein Stück Herzgewebe mittels Bioprinter erzeugt. Dieses vaskularisiertes Gewebe schlug in einem Herz-ähnlichen Rhythmus und wurde für bis mindestens sechs Monate als lebend anerkannt. Zeigt dieses Forschungsprojekt bereits jetzt schon einen Durchbruch für die Herstellung von menschlichem Gewebe mittels additiver Fertigung? Eines ist auf jeden Fall sicher: dank des 3D-Druckers ergeben sich für die menschliche Gesundheit sehr viele innovative Vorteile, die auf lange Frist sehr viele Menschenleben retten können.
Das 3D-gedruckte Herz hat lediglich die Größe eines Hasenherz (Bild: Universität Tel Aviv)
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