3D-Drucker macht menschliche Organe in Minigröße

Menschliche Organe in Miniaturgröße haben Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine mit einem modifizierten 3D-Drucker hergestellt. Sie werden jetzt für Tests an neuen Impfstoffen eingesetzt. Im Rahmen dieses Projekts werden menschliche Zellen repliziert, die die Funktionen von Organen wie Herz, Leber, Lunge oder Blutgefäßen nachahmen. Diese Organe werden dann auf einem Mikrochip platziert und mit einem Blutersatz verbunden. Damit wird es möglich, Behandlungsmöglichkeiten zu überprüfen.

Militärischer und ziviler Einsatz

Das U.S. Department of Defense http://defense.gov hat die neue Technologie mit 24 Mio. Dollar unterstützt. Bioprinting, eine Art des 3D-Drucks, bei der menschliches Gewebe hergestellt wird, ist an sich kein neues Verfahren. Auch die Idee, menschliches Gewebe in 3D auf einem Mikrochip zu züchten, ist kein Novum. Bei den aktuellen Tests werden jedoch erstmals verschiedene Organe im gleichen Gerät miteinander kombiniert. Damit wird die menschliche Reaktion auf chemische Giftstoffe oder biologische Wirkstoffe modellhaft sichtbar.

Die von den Wissenschaftlern entwickelten modifizierten 3D-Drucker drucken menschliche Zellen auf Hydrogel basierende Gerüste. Die im Labor hergestellten Organe werden in einem nächsten Schritt auf einem fünf Zentimeter großen Chip platziert und miteinander verbunden.

Der verwendete Blutersatz ähnelt jenem, der auch bei der chirurgischen Behandlung von Traumata eingesetzt wird. Der Blutersatz hält die Zellen am Leben und kann auch eingesetzt werden, um chemische oder biologische Substanzen oder auch Medikamente in das System einzubringen. Sensoren messen die Temperatur in Echtzeit, überprüfen die Sauerstoffwerte, den pH-Wert und andere Faktoren.

Alternative zu Tierversuchen

Der leitende Wissenschaftler Anthony Atala betont, dass dieses Verfahren eingesetzt werden kann, um die Auswirkungen von chemischen und biologischen Substanzen vorherzusagen, aber auch um die Wirksamkeit neuer Behandlungsansätze zu überprüfen. „Die Tests finden an echtem menschlichen Gewebe statt. Das funktioniert deutlich besser als Tierversuche.“ Die Finanzierung des Projektes wurde durch die Defense Threat Reduction Agency http://dtra.mil ermöglicht, eine Abteilung der US Regierung, die für die Bekämpfung nuklearer, chemischer und biologischer Waffen zuständig ist.

Die durchgeführten Tests sollen die Kosten und die Zeit deutlich reduzieren, die notwendig ist, um medizinische Gegenmaßnahmen gegen Angriffe von Bioterroristen abzuwehren. Laut den Wissenschaftlern des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine besteht die Möglichkeit auf Gegenmittel zum Beispiel gegen Sarin zu testen, das vor kurzem in Syrien gegen Zivilisten eingesetzt wurde. Laut Atala, der auf regenerative Medizin spezialisiert ist, wurde das Bioprinting von den Wissenschaftlern zuerst für die Herstellung von Gewebe und Organen für Patienten eingesetzt.

Originalgröße schon bald möglich

Atalas Team ist es gelungen, flache Organe wie Haut oder röhrenförmige Organe wie Blutgefäße und sogar hohe, nicht röhrenförmige Organe wie die Blase oder den Magen zu produzieren, die über ein komplexere Strukturen und Funktionen verfügen. Die Herstellung von Organen wie dem Herzen oder der Leber gehört derzeit jedoch noch zu den größten Herausforderungen. Eine Kombination von einem Mikroskop und einem Inkubator wird für die Herstellung der Organe eingesetzt.

Es dauert rund 30 Minuten, um eine Niere oder ein Herz im Miniaturformat zu produzieren. Die Größe entspricht dann in etwa der eines kleinen Keks. Atala erklärt, dass auf einen Zentimeter so viele Zellen kommen, dass ein großes Organ eine sehr komplexe Herausforderung darstellt. Die Herstellung von Organen in Originalgröße dürfte jedoch in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein. Die Wissenschaftler arbeiten derzeit an Organen, die als Implantate eingesetzt werden können.