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Medizin

3-D-Drucker stellt Ersatzteile für das menschliche Herz aus Kollagen her

Freitag, 2. August 2019

Fluidform Media

Pittsburgh – 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 in Science (2019; 365: 482-487) vorgestelltes Modell eines Ventrikels war nach der Besiedlung mit Stammzellen sogar zu (sehr schwachen) Kontraktionen in der Lage. Eine erste Anwendung könnten Herzklappen sein.

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 von den Forschern 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 bis 120 Mal in der Minute zu kontrahieren. Die Ventrikel verkleinerten sich dabei um bis zu 14 Prozent. Diese Aktionen erfolgten allerdings anders als beim natürlichen Herzen nicht gegen einen bestehenden Füllungsdruck. Als Ersatzteil für einen insuffizienten Herzmuskel werden sie derzeit nicht infrage kommen.

Andere Anwendungen scheinen realistischer zu sein. 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 laut Fiebert in geschlossenem Zustand Druckunterschieden von 40 mm Hg bei einer Regurgitation von weniger als 15 Prozent. Ob sie auf Dauer den Anforderungen einer Trikuspidal- oder Pulmonalklappe gewachsen wären, ist jedoch unklar. Tierexperimentelle Untersuchungen wurden offenbar noch nicht durchgeführt.

Die Biofabrikation von menschlichem Gewebe schreitet rasch voran. Vor kurzem hatten Forscher aus Israel über die Produktion von menschlichem Herzgewebe am 3D-Drucker berichtet. Den Forschern  war es gelungen, ein Muskelpatch mit „kontraktilem Potenzial“ und ein Mini-Herz zu konstruieren. © rme/aerzteblatt.de

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