Hunderttausende Menschen weltweit warten auf ein Spenderorgan.
So wie die vierjährige Evie Green, die seit einem Jahr auf ein neues
Herz wartet, um weiter leben zu können.
Wann wird Technik die Organspende ersetzen?
Und wie weit sind die Forscher zum Beisipel mit Organen
aus dem 3D-Drucker?
Findet´s raus - mit SHIFT.
Ein Herz aus menschlichen Zellen, gedruckt mit einem Drei-D-Drucker.
So weit waren Forschende in Tel Aviv schon 2019.
Das gedruckte Herz konnte zwar nicht schlagen - machte aber
Hoffnung, dass es bald voran geht.
Das Zauberwort hier heißt Bioprinting - also Drucken
mit lebenden Zellen.
3D-Priting, additive Fertigung, gibt es seit mehreren Jahren in der
Industrie, Das bedeutet, dass komplexe Objekte
schichtweise aufgebaut werden.
Und vor einigen Jahren hat dieser Trend tatsächlich dann auch Einzug
in die Biomedizin gefunden, so dass wir nun auch lebendige oder belebte
Stoffe, biologische Stoffe, die natürlich eine hohe Komplexität
an Eigenschaften, an Materialeigenschaften mit sich
bringen, auch schichtweise verdrucken und aufbauen können.
Und das eröffnet uns natürlich in der Biomedizin völlig neue Wege
auch komplexe organoide Organstrukturen Strukturen in
Zukunft im besten Falle natürlich auch über das Bioprinting,
das 3D-Bioprinting, herzustellen.
Organe aus lebenden Zellen können also im Prinzip
schon gedruckt werden!
Die erste 3D-gedruckte Ohrmuschel wurde schon auf
einen Freiwilligen transplantiert.
2022 in den USA.
Eine klinische Studie soll laufen, Allerdings blieben unsere
Nachfragen dazu bei der Firma 3D Bio Therapeutics
leider unbeantwortet.
Fest steht: Das Rennen um das erste funktionierende Organ aus dem
3D-Drucker läuft seit Jahren.
Versuche, künstliche Organe per Bioprinting zu drucken, gab es
schon vor mehr als zwei Jahrzehnten.
Der US-Chirurg Anthony Atala ist einer der Erfinder des Verfahrens.
2011 zeigte er, wie eine Niere im 3D-Drucker entsteht.
Erst wird das Organ vermessen - per Magnetresonanztomographie.
Dann wird aus den Daten ein 3-D Modell des Organs erstellt und
an den Drucker geschickt.
Der baut das Modell Schicht für Schicht nach.
Aus lebenden Zellen oder, wie hier, aus Kunststoff.
2021 drucken Forscher der Nottingham Trent University diese
Leber aus dem 3D-Drucker.
Täuschend echt - doch statt organischer kommen hier
synthetische Partikel zum Einsatz.
Ärzte sollen mit dem Organ trainieren, wie
man Leberkrebs erkennt.
Die Unternehmen United Therapeutics und 3D-Systems präsentieren
ebenfalls 2022 ein künstliches Lungengerüst aus dem 3D-Drucker.
Wie eine natürliche Lunge kann das gedruckte Gewebe
den Gasaustausch übernehnmen.
Ob das auch im Körper geht, sollen Tierversuche zeigen.
Aber es wird wohl noch viele Jahre dauern, bis Drei-D-gedruckte Organe
die Organe von Spendern ersetzen.
Trotzdem können sie auch jetzt schon in der
Medizin wirklich helfen.
So wie dieses 3D-gedruckte Robo-Herz - aus Kunststoff.
In den USA haben Forscher am Massachusetts Institute of
Technology ein robotisches Herz aus dem 3-Drucker hergestellt.
Das soll dann die Herzfunktion des Patienten individuell nachahmen.
Aus Daten des Herzens wird dazu erstmal ein
dreidimensionales Computermodell erstellt.
Das 3-D gedruckte Herz besteht dann aus weichem flexiblen Kunststoff.
Überzüge für das gedruckte Herz, ahmen den Herzschlag nach.
Jede dieser Hüllen wird dabei separat angesteuert, damit das
3D-Herz möglichst realistisch pumpt Die Herzschläge des Robo Herzens
sind dann so, wie die aufgezeichneten Schläge des
Herzens des Patienten.
So soll sich genau beobachten lassen, wie das Herz
des Patienten pumpt.
In den Körper kommt das Robo-Herz also nicht.
Vielmehr soll es Medizinern als Modell dienen, um Herzprobleme
eines Patienten besser zu verstehen und die beste Therapie zu finden.
Extrem hilfreich, um Herzkrankheiten zu behandeln - aber
natürlich keine Lösung, für Leute, die ein Spenderherz brauchen.
Aber: Menschen mit krankem Herzen kann der
3D-Bioprint trotzdem helfen.
Zum Beispiel denen, die einen Bypass brauchen.
Also eine Umgehung für blockierte Gefäße.
Die passende Idee hatte ein Forscherteam aus Norddeutschland.
Ein Team um den Herzchirurgen Rouven Bernd entwickelt das
Verfahren am Kieler Uniklinikum.
Künstliche Gefäße sind in der Chirurgie ein alter Traum.
Als kardiovaskulärer Chirurg kommt man irgendwann in die Situation,
dass man einen Patienten versorgt und kein venünftiges Material für
eine Bypass, für einen Herzbypass oder für einen Bypass am Bein
beispielsweise zur Verfügung hat.
Und seit vielen Jahrzehnten wird daran gearbeitet, auch künstliche,
bioartifizielle Gefäße herzustellen im Labor, um diesen Patienten, die
eben entsprechend kein eigenes körpereigenes Material
zur Verfügung haben, einen entsprechenden Bypass
anbieten zu können.
Die Idee der Forscher: Ein Drucker presst zwei Flüssigkeiten aus einer
Düse, um einen etwa 30 cm langen flexiblen Schlauch aus
Biomaterialien zu erzeugen Eine der beiden Flüssigkeiten ist eine
sogenannte BioInk: eine Art organische Tinte, die
mit menschlichen Gefäßzellen angereichert wird.
Basis sind Zuckerbestandteile, die aus Braunalgen gewonnen werden.
Das sogenannte Alginat.
Nur dieses Alginat hat den Nachteil, dass es keine Zellen
bindet oder nicht gut Zellen bindet.
Deswegen verwenden wir Alginat und verknüpfen das mit kleinen
Peptiden, das sind also kleine Stückchen von Proteinen.
Und an diese Peptide können dann die Zellen binden und diese Peptide
geben eben auch Signale an die Zellen, dass die Zellen sich
wohlfühlen, dass die Zellen da überleben und sich eben
auch vermehren können.
Nach einer ersten Phase auf handelsüblichen 3-D-Druckern setzt
das Team nun auf einen Roboterarm mit einem
selbstentwickelten Druckkopf.
In einer Kammer des Kopfes ist die BioInk.
In der anderen Calziumclorid, das den Bypass stabil macht.
Ausgerechnet die BioInk macht beim Drucken aber auch Probleme.
Was jetzt relativ einfach aussieht, erfordert, sehr sehr
viele Parameter miteinander zu justieren, da wir beispielsweise
die Herausforderung haben, dass sich das BioInk
nicht-neotonische Flusseigenschaften hat.
Sprich.
Es verhält sich nicht wie eine normale Flüssigkeit, sondern wird
unter Druck noch fester.
Das erfordert in dem Druckkopf selber Widerstände einzubauen, um
nach dem Wideraustritt ein möglichst homogenen Fluss des
BioInks zu gewährleisten.
Wow, klingt krass kompliziert.
Kein Wunder, dass das immer so lange dauert: unzählige
Druck-Versuche haben die Forscher schon hinter sich.
Eine der Herausforderungen: Der gedruckte Bypass muss überall
gleich dick sein.
Also wenn man sich hier den Bypass anguckt, dann sieht man, wie es
hier an den Seiten sehr, sehr schlank, also sehr schmal
ist die Wand.
Und wie an den anderen zwei Seiten die Wandung jeweils sehr dick ist -
und so hält das nichts aus.
Also je symmetrischer diese Struktur, je stärker das ne
Ringstruktur ist, um so stabiler wird das zum Schluss.
Die künstlichen Bypässe sollen möglichst einheitlich sein.
Nur so können sie Jahrzehnte im Patienten funktionieren.
Nach dem Druck müssen die fertigen Bypässe noch ein paar Tage im
Bioreaktor bei 37 Grad Körpertemperatur in
einer Nährlösung reifen.
Wenn wir drucken, drucken wir normalerweise bei Zimmertemperatur
- und wenn wir lange bei Zimmertemperatur diese Zellen
behalten, das wäre nicht so gut für die Zellen.
Deswegen machen wir diesen Druck mit der Substanz und danach wir
machen weiter die Kultur, in den Bioreaktor zum Beispiel, wo die
Zellen bleiben, bei 37 Grad.
Denn am Ende müssen möglichst viele Zellen den Druckprozess überleben.
Hat alles geklappt, leuchten im anschließenden Labortest
unterm Mikroskop besonders viele Zellen grün.
Im Moment werden die Bypässe erst noch an Tieren erprobt -
kein Schönes Thema.
Aber notwendig, sagen die Forscherinnen und Forscher.
Drei-D-Druck mit lebenden Zellen kann aber auch helfen,
Tierversuche zu ersetzen!
Zum Beispiel beim Erforschen neuer Medikamente.
Labore nutzen dabei die sogenannte
Organ-On-A-Chip-Technologie.
So heißen Geräte, die menschliche Organfunktionen
nachahmen.
Dank dieses Biochips könnte es bald weniger Labortiere brauchen!
Denn die Zellen von sogenannten
Organ-on-a-Chip-Systemen verhalten sich biologisch sehr ähnlich zu
menschlichen Organen, wenn sie mit Wirkstoffen in Kontakt kommen.
Statt Tierversuchen werden seit einigen Jahren darum verstärkt
solche Minilabs genutzt, um zu testen, ob Stoffe für den
menschlichen Körper giftig sind, oder ob sie als
Heilmittel infrage kommen.
Das System besteht im Wesentlichen aus einem Objektträger, mindestens
einer Zellkultur - und mikroskopisch kleinen
Versorgungssträngen.
Eine Membran trägt die Zellkultur.
Über die Versorgungsstränge wird die Kultur mit Luft, Nährstoffen
und Wirkstoffen versorgt.
Die Herz-, Leber oder Nierenzellen können auf dem Chip gezüchtet oder
auch mit einer Bio-Ink auf den Objektträger gedruckt werden.
Wissenschaftler können den Zustand der Zellen auf dem Chip
über Sensoren auslesen.
Viele Labore setzen inzwischen auch Kulturen mehrerer Organe auf
einem Chip ein.
Das spart viele Tests.
Inzwischen gibt es sogar Chips mit komplexen dreidimensionalen
Zellstrukturen.
So kann man noch genauer testen.
3D-Druck mit lebenden Zellen: Schon jetzt ziemlich vielversprechend.
Am Besten wäre es natürlich, wenn man Zellen und Organe da drucken
könnte, wo sie gebraucht werden.
im Körper.
Und auch daran arbeiten Forschende.
Schaut mal.
Dies ist ein experimenteller Mini-3D-Biodrucker: Er kann auch im
Körper Zellen drucken und könnte eines Tages auch bei
Menschen eingesetzt werden.
Wir können mehrschichtige Biomaterialien direkt in den
lebenden Körper bringen.
Mit der aktuellen Technologie muss man das Biomaterial noch außerhalb
des Körpers herstellen.
Und um das Material in den Körper zu bringen, muss man ihn öffnen
- und operieren.
Doch Operationen können zu Infektionen und
zu Blutverlust führen.
Ähnlich wie ein Endoskop wird der weiche und flexible Roboterarm in
den Körper eingeführt.
Entweder durch den Mund, durch den Anus oder durch
einen kleinen Hautschnitt.
Mit Bio-Tinte kann das Gerät lebende Zellen auf Organe und
Gewebe drucken – zum Beispiel, um sie nach einer
Verletzung zu reparieren.
Das hier ist eine größere Version unseres 3D-Biodruckers.
Er wird im Wesentlichen verwendet, um Biomaterial an verletzte Stellen
zu liefern oder um nach einer Operation den
Heilungsprozess zu fördern.
Mit der Kamera am Ende können wir das Ganze verfolgen.
Und wir haben eine Öffnung am Ende, durch die Biomaterialien fließen.
Und hinten haben wir den Controller, mit dem wir
unseren Biodrucker steuern.
Der F3DB kann nicht nur drucken – er kann auch Schnitte machen und
Wasser sprühen, um Wunden nach einem Eingriff zu reinigen.
In Zukunft könnte das Gerät für verschiedene Arten von Operationen
verwendet werden - einschließlich der Entfernung von Krebs .
Klingt als wären da ein paar gute Sachen in Arbeit!
Aber für Menschen, die jetzt auf eine Organspende warten, könnte es
auch noch Mehr Spender-Organe geben, wenn alle mitmachen.
Würdet Ihr Euch als Spender hergeben oder sind für euch
3D-Druck-Organe die Zukunft?
Schreibt uns!
und bis bald.