Adern aus dem 3-D-Drucker

Basler Zeitung


Posted in News on 07.09.2018

The University of Life Sciences FHNW in Muttenz (CH) is researching a new generation of artificial organs. Project Leader Maurizio Gullo and his team of researchers might be catching up with science fiction faster than many people suspect, as described in this article (in German) by Andreas Schwander for Basler Zeitung.

Die Hochschule für Life Sciences FHNW in Muttenz forscht an einer neuen Generation von künstlichen Organen

Science-Fiction ist der Realität immer etwas voraus, und doch bemüht sich die Wissenschaft immer wieder, Science-Fiction  zur Realität  werden zu lassen. Am Institut für Medizintechnik und Medizininformatik an der Hochschule für Life Sciences FHNW ist der Forscher Maurizio Gullo und sein Team der Fik-tion auf der Spur – mit Geweben aus dem 3-D-Drucker.

Allerdings kann man nicht einfach so mal eine Niere ausdrucken, auch wenn dies das Ziel ist. Man fängt mit biologischen Zellen an, welche in dreidi-mensionalen Strukturen gezüchtet wer-den. Denn bisher ging das, grob gesagt, in den Petrischalen nur in zwei Dimen-sionen. Dies entspricht aber nicht der natürliche Umgebung von biologischen Zellen, denn normalerweise wachsen diese dreidimensional und in alle Rich-tungen. Deshalb züchtet man sie nun statt in Nährlösungen in speziellen Gels, in denen die Zellen in alle Richtun-gen wachsen können. Auf diese Weise entstehen Gewebeproben auf einem Glas Chip, wobei das Gel mit speziellen 3-D-Biodruckern wie aus der Tube  gepresst wird. Dabei steht in der ersten Annäherung die endgültige Form nicht im Vordergrund, wie etwa bei einem herkömmlich 3-D-gedruckten Gegen-stand. Wichtig ist vorerst, dass das Gel formstabil bleibt, damit das Gewebe in alle Richtungen wachsen kann.  

500 Chips statt 500 Mäuse

Erstes Ziel dieser Gewebe auf einem Chip ist die Vermeidung von Tierver-suchen. Das hat sowohl mit dem Tier-schutz zu tun, aber auch mit einfache-ren Versuchsabläufen und genaueren Resultaten. Zum einen sind Versuche mit Mäusen nicht zwingend auf den Menschen übertragbar, während man in den Gels mit menschlichen Zellen arbeiten kann. Zudem sind 500 Chips mit Gewebeproben viel einfacher und effizienter zu handhaben als 500 Mäuse.

Mit den Gels können einfache «lebende Strukturen» gedruckt wer-den. Durch Diffusion dringen Nähr-lösungen bis etwa einen halben Mil-limeter tief in das Zellgewebe ein. Wenn man daher dicke und komplexe Strukturen drucken will, benötigt das Zellgewebe ein Versorgungsystem, dass sie mit Nahrung versorgt und Abfallprodukte abführt, wie die Arte-rien und Venen in unserem vaskulären System. Auch dies lässt sich drucken, mit so genannter «fugitive ink», mit flüchtiger Tinte, die bei Temperatu-

«Das System gleicht der Jahrhunderte alten Technik des Giessens mit verlorener Form.»

ren über 20 Grad Celsius relativ fest ist und sich bei tieferen Temperaturen verflüchtigt, indem sie sehr dünnflüssig wird. Das entspricht der Jahrtausende alten Technologie des Giessens mit der verlorenen Form. Dabei wird ein Wachsmodell in Sand gepackt und der Sandklumpen erwärmt bis das Wachs schmilzt und verschwindet. Zurück bleibt ein Hohlraum in Form des Werk-stücks, der dann mit flüssigem Metall gefüllt wird. Und auch in der modernen Giessereitechnik werden Gusskerne mit 3-D-Printern gedruckt.

Beim Drucken von komplexeren Zell-geweben werden deshalb so die Ader-strukturen gedruckt. Danach übergiesst man sie mit dem Gel, das biologische Zellen enthält und kühlt das Ganze ab. Nach dem Abkühlen bleibt ein dickes Zellgewebe mit Adern zurück. Aller-dings kann man nur relativ grosse Adern drucken. Der 3-D-Biodrucker hat eine Auflösung von etwa drei Hunderts-tel Millimeter. Das mag als sehr klein erscheinen. Allerdings besteht das weit verzweigte Kapillarsystem im Körper aus noch feineren Blutgefässen. Neben den Blutgefässen gibt es auch noch das Lymphatische System, welches Abfall-stoffe und überschüssige Flüssigkei-ten aus dem Zellengewebe abführt. Die winzig feinen Lymphkapillaren sind deshalb nicht einfache Röhrchen, sondern durchgehend perforiert und durchlässig, wie Drainage-Röhrchen. Auch das wird im Organ benötigt.

Vier Stufen der Komplexität

Wenn man nun ein Organ oder Gewebe drucken möchte, das man einmal einem Menschen implantieren kann, gibt es vier Komplexitätsstufen. Auf der ersten Stufe befinden sich einfache Gewebe, wie etwa Knorpelgewebe. Die kann man relativ einfach drucken, auch weil sie keine Blutversorgung brauchen. Das wird schon oft gemacht, vor allem für die rekonstruktive Chirurgie. Die zweite Komplexität ist die Vaskularisierung, etwa für eine Niere oder Bauchspeichel-drüse. Die dritte Komplexität ist es, ein Organ zu drucken, dass auch ein Lym-phatisches System und ein Vegetatives Nervensystem enthält.

Damit ist es aber noch nicht getan. Ein fertiges Organ braucht ein Inter-face,  d.h. Anschlüsse an das Ader-, Lymph- und Nervensystem, mittels welchen der Arzt das Organ operativ mit den entsprechenden Systemen im Körper des Patienten verbinden kann. Ohne diese Verbindungen ist ein künst-liches Organ nutzlos.

Der ganze Körper auf einem Glas Chip

Die dritte und vierte Dimension sind im Moment noch in weiter Ferne. Gegen-wärtig arbeitet man auf dem zweiten Level, der Vaskularisierung. Das ist schon schwierig genug. Es geht dabei erst einmal darum, die Gewebe zu dru-cken und dann am Leben zu erhalten. Auf diesem zweiten Level gibt es nun schon Anwendungen. Das sind zum einen der Ersatz der Tierversuche, aber auch schon einzelne Organgewebe, sogenannte «Organs on Chip», Organe auf einem Glas Chip. Von da aus ist es nur ein kleiner Schritt zum «Human on Chip», dem Menschen auf einem Glas Chip. Damit können fast alle Organe eines Menschen mit körpereigenen Zellen auf einem Chip dargestellt wer-den und die Interaktionen der einzel-nen Organe unter bestimmten Bedingungen getestet werden. Damit liesse sich beispielsweise die Reaktion, die Wirksamkeit oder auch die Nebenwir-kungen etwa von bestimmten Krebs-therapien und Medikamentenkombi-nationen für jeden einzelnen Patienten voraussagen – in dem man sie erst an seinem Chip mit seinen Zellen testet, bevor man die Therapie mit allen Risi-ken an einem bereits geschwächten Körper startet.

Eine andere Anwendung der Tech-nologie wäre, dass man bei Menschen mit gewissen genetischen Vorbedin-gungen für Erbkrankheiten, etwa  ausgeprägte Herz-Kreislaufprobleme, Ersatz-Organe bereits auf Reserve züchtet. Ähnliches strebt man auch in der Zahnmedizin an. Bereits jetzt ist es möglich, sich ein genaues digi-tales Abbild seiner gesunden Zähne machen zu lassen. Wenn man dann einmal einen Unfall hat oder im Alter eine Prothese braucht, kann man sich

«Künstliche Organe sind nutzlos, wenn man sie nicht an den Körper anschliessen kann.»

gemäss diesem digitalen Abbild das ursprüngliche Gebiss, das man mit 20 einmal hatte, rekonstruieren lassen. Das schliesst auch die Wurzeln der Zähne mit ein. Wenn man sich dann einen Zahn ziehen lassen muss, passt die Kopie haargenau in die Öffnung. Ähnliches sollte dann auch mit andern Organen möglich sein.  

Erst kommen die Sanitärinstallationen

Doch soweit ist man noch nicht. Der Forschungsbereich von Maurizio Gullo am Institut für Medizintechnik und Medizininformatik (HLS FHNW) liegt im Moment klar im zweiten Level der Technologie, bei der Vaskularisie-rung von dickem Zellgewebe. Dabei werden die Adern ausgedruckt und dann die Kapillaren aus organischem Material gezüchtet, da sie zu fein sind um gedruckt zu werden. Man legt sozusagen für das neue Organ wie bei einem Haus, das man neu baut, erst einmal die Zu- und Abwasserleitun-gen an. Wenn das denn einmal exis-tiert, könnte man beispielsweise in die angelegten Kapillaren Nierenzel-len einsetzen, welche dann zur Niere wachsen könnten. Die Forschungen gehen nun in die Richtung, dass man die Nierenzellen und die zu vaskula-risierenden Zellen gleichzeitig im sel-ben Gel züchtet.

Mit ihren Forschungsarbeiten ist das Team um Maurizio Gullo im nagel-neuen FHNW-Campus in Muttenz ganz vorne mit dabei – und der Science-Fic-tion näher auf den Fersen als sich viele Menschen bewusst sind.

Von Andreas Schwander

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