3D-Printer druckt lebende Ohren, Muskeln und Knochen

Winston-Salem – US-Bioingenieure haben einen neuartigen Bioprinter entwickelt, der lebende Implantate in einer Größe druckt, die für den Ersatz von Schädelknochen, Unterkiefer, Ohr oder auch Muskeln beim Menschen benötigt würden. Die in Nature Biotechnology (2016; doi: 10.1038/nbt.3413) vorgestellten lebende Modelle verfügten zudem über eine ausreichende Stabilität.

Die Versuche, menschliches Gewebe mit einem 3D-Drucker herzustellen, sind nicht neu. Die Ergebnisse haben jedoch bisher enttäuscht, weil die Zellen den Druckprozess nicht überlebt haben, oder weil das Gewebe mechanisch nicht belastbar war oder nicht ausreichend mit Nährstoffen perfundiert werden konnte. Das „Integrated Tissue and Organ Printing System“, das ein Team um Anthony Atala vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in Winston-Salem jetzt vorstellt, scheint diese Anfangs­schwierigkeiten überwunden zu haben.

Die lebenden Zellen, die das Implantat später mit Leben füllen und in den Organismus integrieren sollen, sind in ein Hydrogel verpackt, das sie während des Druckvorgangs schützt. In den Wochen darauf löst sich das Hydrogel auf. Der freiwerdende Raum wird von dem Extrazellulärgewebe gebildet, das die transplantierten Zellen freisetzen. Eine Schwierigkeit bestand offenbar darin, das Hydrogel in der Zwischenzeit so stabil zu gestalten, dass die haarfeinen Kanälchen, durch die Sauerstoff und Nährstoffe in das innere des Transplantats gelangen, nicht kollabieren. Denn ohne eine ausreichende Durchblutung können keine größeren Implantate hergestellt werden, in denen sich allmählich ein lebendiges Gewebe entwickelt, das am Ende das Implantat vollständig durch körpereigenes Gewebe ersetzt. Die äußere Form des Implantats wurde durch ein plastikartiges Gewebe vorgegeben, das ebenfalls biologisch abbaubar ist.

Die Forscher haben mit ihrem Bioprinter zunächst einen Teil des menschlichen Unterkiefers hergestellt. Die Ausmaße wurden von den Ergebnissen einer CT-Untersuchung berechnet. Nach 28 Tagen hatte sich Knochengewebe gebildet. Dieses Experiment beschränkte sich auf die Laborphase. Das Gewebe wurde nicht implantiert. 

Danach druckten die Forscher einen Teil des Schädeldachs für eine Ratte. Das Implantat wurde in den Schädel des Tieres eingesetzt, wo es allmählich in einen vollständig durchbluteten Teil des Schädelknochens umgebaut wurde. Nach fünf Monaten war es vollständig in das Schädeldach integriert.

Das dritte Projekt war ein Ohr. Es wurde aus den Knorpelzellen von Kaninchen gedruckt, hatte aber Größe und Form eines menschlichen Ohrs. Das Ohr wurde unter die Haut von Mäusen implantiert, wo es sich allmählich in ein normales Ohr mit Knorpelgewebe und Blutgefäßen verwandelte.

Abschließend stellten die Forscher einen kleinen Muskel her. Dieses Mal enthielt das Hydrogel Myoblasten. Schon nach wenigen Tagen hatten sich neue Muskelfasern ausgebildet. Der Muskel wurde mit einem Nerven versehen, der tatsächlich motorische Endplatten ausbildete und damit eine Verbindung zum Nervensystem herstellte. Der Muskel reagierte später auf elektrische Reize.

Ob der Muskel allerdings im Organismus sinnvolle Arbeit verrichten könnte, ist noch unklar. Offen ist auch, wie das Immunsystem auf den Fremdkörper reagieren würde. Vor einer Anwendung am Menschen sind nach Auskunft der Forscher noch etliche tierexperimentelle Studien notwendig.

rme