3D-Bioprinting" könnte bei Herzfehlern von Kindern und mehr helfen

Von Natalie Sabin

11. Juli 2022 - Nahezu eines von 100 Kindern in den Vereinigten Staaten wird mit einem Herzfehler geboren. Die Auswirkungen können verheerend sein, da die Kinder auf implantierte Geräte angewiesen sind, die im Laufe der Zeit ausgetauscht werden müssen.

"Mechanische Lösungen wachsen nicht mit dem Patienten mit", sagt Mark Skylar-Scott, PhD, Professor für Bioengineering an der Stanford University. "Das bedeutet, dass der Patient im Laufe seines Wachstums mehrere Operationen benötigt."

Er und sein Team arbeiten an einer Lösung, die diesen Kindern mit weniger Operationen eine bessere Lebensqualität bieten könnte. Ihre Idee: Mithilfe von 3D-Biodruckern" die Gewebe herzustellen, die Ärzte benötigen, um einem Patienten zu helfen.

"Der Traum ist es, Herzgewebe wie Herzklappen und Herzkammern drucken zu können, das lebendig ist und mit dem Patienten mitwachsen kann", sagt Skylar-Scott, die in den letzten 15 Jahren an Bioprinting-Technologien zur Herstellung von Gefäßen und Herzgewebe gearbeitet hat.

Der 3D-Drucker für Ihren Körper

Der normale 3D-Druck funktioniert ähnlich wie der Tintenstrahldrucker in Ihrem Büro, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Anstatt eine einzige Tintenschicht auf Papier zu sprühen, gibt ein 3D-Drucker Schichten aus geschmolzenem Kunststoff oder anderen Materialien nacheinander ab, um etwas von unten nach oben aufzubauen. Das Ergebnis kann so ziemlich alles sein, von Autoteilen bis hin zu ganzen Häusern.

Dreidimensionales Bioprinting oder der Prozess, bei dem lebende Zellen verwendet werden, um 3D-Strukturen wie Haut, Gefäße, Organe oder Knochen zu erstellen, klingt wie etwas aus einem Science-Fiction-Film, existiert aber in Wirklichkeit schon seit 1988.

Während ein 3D-Drucker auf Kunststoff oder Beton zurückgreift, benötigt ein Bioprinter "Dinge wie Zellen, DNA, microRNA und andere biologische Materialien", sagt Dr. Ibrahim Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, biomedizinische Technik und Neurochirurgie an der Penn State University.

"Diese Materialien werden in Hydrogele gefüllt, damit die Zellen lebensfähig bleiben und wachsen können", so Ozbolat. "Diese 'Bio-Tinte' wird dann geschichtet und erhält Zeit, um zu lebendem Gewebe zu reifen, was 3 bis 4 Wochen dauern kann."

Welche Körperteile konnten die Wissenschaftler bisher drucken? Die meisten bisher durch Bioprinting hergestellten Gewebe sind recht klein - und fast alle befinden sich noch in verschiedenen Testphasen.

"Klinische Versuche zur Knorpelohrrekonstruktion, Nervenregeneration und Hautregeneration sind angelaufen", sagt Ozbolat. "In den nächsten 5 bis 10 Jahren können wir mehr klinische Versuche mit komplexen Organarten erwarten.

Was hält das Bioprinting zurück?

Das Problem beim 3D-Bioprinting ist, dass menschliche Organe sehr dick sind. Man braucht Hunderte von Millionen Zellen, um einen einzigen Millimeter Gewebe zu drucken. Das ist nicht nur ressourcenintensiv, sondern auch sehr zeitaufwändig. Ein Bioprinter, der einzelne Zellen auf einmal ausstößt, bräuchte mehrere Wochen, um auch nur ein paar Millimeter Gewebe herzustellen.

Skylar-Scott und sein Team haben jedoch vor kurzem einen Durchbruch erzielt, der dazu beitragen könnte, die Herstellungszeit erheblich zu verkürzen.

Anstatt mit einzelnen Zellen zu arbeiten, gelang dem Team von Skylar-Scott das Bioprinting mit einer Ansammlung von Stammzellen, den sogenannten Organoiden. Wenn mehrere Organoide nebeneinander platziert werden, verbinden sie sich - ähnlich wie Reiskörner sich verklumpen. Diese Klumpen setzen sich dann selbst zusammen und bilden ein Netz winziger Strukturen, die Miniaturorganen ähneln.

"Anstatt einzelne Zellen zu drucken, können wir mit größeren Bausteinen [den Organoiden] drucken", sagt Skylar-Scott. "Wir glauben, dass dies ein schnellerer Weg zur Herstellung von Gewebe ist."

Während die Organoide die Produktion beschleunigen, besteht die nächste Herausforderung bei dieser Art des 3D-Bioprinting darin, genügend Materialien zu haben.

"Jetzt, wo wir Dinge mit vielen Zellen herstellen können, brauchen wir auch viele Zellen zum Üben", sagt Skylar-Scott. Wie viele Zellen werden benötigt? Er sagt: "Ein typischer Wissenschaftler arbeitet mit 1 bis 2 Millionen Zellen in einer Schale. Um ein großes, dickes Organ herzustellen, braucht man 10 bis 300 Milliarden Zellen".

Wie Bioprinting die Medizin verändern könnte

Eine Vision für das Bioprinting ist die Herstellung von lebendem Herzgewebe und ganzen Organen zur Verwendung bei Kindern. Dies könnte die Notwendigkeit von Organtransplantationen und Operationen verringern, da das lebende Gewebe zusammen mit dem Körper des Patienten wachsen und funktionieren würde.

Doch bevor wichtige Körpergewebe gedruckt werden können und lebensfähig sind, müssen noch viele Probleme gelöst werden.

"Im Moment denken wir klein, anstatt ein ganzes Herz zu drucken", sagt Skylar-Scott. Stattdessen konzentrieren sie sich auf kleinere Strukturen wie Klappen und Herzkammern. Und diese Strukturen, sagt Skylar-Scott, sind mindestens 5 bis 10 Jahre entfernt.

In der Zwischenzeit stellt sich Ozbolat eine Welt vor, in der Ärzte genau die Strukturen bioprinten können, die sie benötigen, während ein Patient auf dem Operationstisch liegt. "Es ist eine Technik, bei der die Chirurgen den Abdruck direkt auf den Patienten ziehen können", sagt Ozbolat. Die Technologie des Gewebedrucks steckt noch in den Kinderschuhen, aber sein Team ist bestrebt, sie weiterzuentwickeln.