ArchivDeutsches Ärzteblatt33-34/2019Rekonstruktion des humanen Herzens: 3-D-Drucker stellt Ersatzteile aus Kollagen her

MEDIZINREPORT: Studien im Fokus

Rekonstruktion des humanen Herzens: 3-D-Drucker stellt Ersatzteile aus Kollagen her

Dtsch Arztebl 2019; 116(33-34): A-1491 / B-1231 / C-1211

Meyer, Rüdiger

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Foto: Fluidform Media
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US-Forscher haben eine Technik für 3-D-Drucker entwickelt, mit der sich komplexe anatomische Strukturen bis hin zum Herz eines Neugeborenen aus Kollagen herstellen lassen. Ein Modell eines Ventrikels war nach der Besiedlung mit Stammzellen sogar zu (sehr schwachen) Kontraktionen in der Lage.

Kollagen ist der Grundbaustoff der extrazellulären Matrix, aus der das menschliche Bindegewebe besteht. Die Möglichkeit, Kollagen mit einem 3-D-Drucker in beliebige Formen zu „gießen“, könnte deshalb vielfältige Möglichkeiten eröffnen. Ein Team um Adam Feinberg von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh entschied sich gleich für eine der schwierigsten Aufgaben – den Nachbau eines menschlichen Herzens.

Es gelang den Forschern, ein komplettes Herz von der Größe bei einem Neugeboren mit den vier Kammern und Herzklappen herzustellen. Das eigens entwickelte Druckverfahren FRESH („Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels“) druckt die Kollagenmoleküle in ein Hydrogel, das sich später unter Erwärmung auflöst. Durch die Formgebung des Hydrogels lassen sich poröse Strukturen bauen, die später als Gerüst für ein Funktionsgewebe dienen könnten. Die Hohlräume würden dann von Stammzellen besiedelt, aus denen sich Blutgefäße und Organzellen entwickeln könnten.

Ein komplettes Herz konnten die Forscher noch nicht zum Leben erwecken. Ein elliptoides Modell einer Herzkammer wurde jedoch erfolgreich in ein Herzmuskelgewebe verwandelt. Die Ventrikel begannen sich spontan in einer Frequenz von 1 oder 2 Hertz, also 60–120 Mal pro Minute zu kontrahieren. Die Ventrikel verkleinerten sich dabei um bis zu 14 %. Diese Aktionen erfolgten allerdings anders als beim natürlichen Herzen nicht gegen einen bestehenden Füllungsdruck.

Fazit: Als Ersatz für einen insuffizienten Herzmuskel kommen die 3-D-Modelle derzeit nicht infrage. Aber mit einer Auflösung von nur 20 µm, lassen sich mit FRESH auch kompakte Strukturen herstellen. Die Forscher zeigen dies an Modellen von Herzklappen, die in Laborexperimenten Drücken standhielten, wie sie im Lungenkreislauf auftreten. Die Klappen widerstanden in geschlossenem Zustand Druckunterschieden von 40 mm Hg bei einer Regurgitation von weniger als 15 %. Ob sie auf Dauer den Anforderungen einer Trikuspidal- oder Pulmonalklappe gewachsen wären, ist jedoch unklar. Rüdiger Meyer

Lee A, Hudson A R, Shiwarski D J, et al.: 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 2019; 365: 482–87. DOI: 10.1126/science.aav9051.

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