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Ersatzorgane aus dem Bioprinter?


Der Traum vom ewigen Leben ist so alt wie die Menschheit. Dank Bioprinting scheint er nun zum Greifen nah. Fällt ein Organ aus oder ist ein Gewebe gealtert, sorgt der Bioprinter künftig – so die Vision – schnell und günstig für frischen Nachschub. Wird es in Zukunft an der Tagesordnung sein, sich nach Bedarf eine neue Leber oder eine neue Haut zuzulegen?

Ein spezieller 3D-Drucker, der computergesteuert mit Techniken des sogenannten «Tissue Engineering» Gewebe und zukünftig vielleicht gar ganze Organe herstellt, könnte die Welt ein wenig besser machen. Dank 3D-gedruckten Organen wären Wartelisten für Organtransplantationen und Abstossungsreaktionen von transplantierten Organen Geschichte. Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg. Für Forschungs- und Testlabore liefert das Bioprinting bereits heute einen hohen Mehrwert: Krankheitsbilder und die Wirkung von Medikamenten können schon bald direkt an künstlichem menschlichen Gewebe untersucht werden. Tierversuche können damit reduziert werden.

So funktioniert Bioprinting
Für das Bioprinting werden Stammzellen oder Zellen, direkt vom Patienten isoliert, benötigt. Die Zellen werden in einer geeigneten Nährlösung vermehrt, um die hohe Zellzahl, die für das Printen gebraucht wird, zu erhalten. Ist genügend Zellmaterial vorhanden, wird dieses mit einem druckbaren Biomaterial, auch Biotinte genannt, in eine Patrone für den 3D-Bioprinter gefüllt. Schicht um Schicht wird nun das Gewebe in der gewünschten Form gedruckt. Für Gewebe mit einfachem Aufbau wie Knorpel, Knochen und Muskelgewebe funktioniert Bioprinting bereits heute gut. Komplizierter ist jedoch der Druck von ganzen Organen. Hierfür müssten sehr viele verschiedene Zelltypen gezüchtet und anschliessend mit hoher Präzision am richtigen Ort positioniert werden. Und das ist nicht das einzige Hindernis. Bisher konnten nur dünne gedruckte Gewebeschichten über einen längeren Zeitraum am Leben erhalten werden. Dickeres Gewebe starb ab, weil es nicht genügend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden konnte. Das liegt daran, dass im menschlichen Körper jede Zelle in umittelbarer Nähe von Blutgefässen (200–300 μm) ist, was bei künstlichen Geweben so noch nicht erreicht werden konnte.

Bioprinter der Firma regenHU im Einsatz an der ZHAW in Wädenswil. Fotonachweis: ZHAW, Amélie Benoist

Forschung und Entwicklung in der Schweiz
Verschiedene Unternehmen bieten 3D-Bioprinter und Biomaterialien zum Verkauf an, mit denen bereits heute einfache Gewebe quasi serienmässig produziert werden können. Eines dieser Unternehmen ist regenHU aus Villaz-St.-Pierre aus der Westschweiz. RegenHU arbeitet bei der Entwicklung seiner Geräte und Materialien eng mit den Forschern der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) zusammen. «Bioprinting ist ein spannendes, interdisziplinäres Forschungsgebiet, bei dem Ingenieure, Mediziner, Biologen, Chemiker und Materialwissenschaftler Hand in Hand arbeiten», erklärt Markus Rimann, Gruppenleiter 3D Tissue and Biofabrication im Institut für Chemie und Biotechnologie der ZHAW. «Mein Interesse ist es, künstliches Gewebe herzustellen, und dabei möglichst nahe an die biologische Funktionalität von natürlichem Gewebe heran zu kommen.»

Eine der aktuellen Herausforderungen bei der Weiterentwicklung des Bioprintings bestünde im Drucken von Blutgefässstrukturen im Gewebe, um so grössere Gewebestücke herstellen zu können, so Rimann. Auch die Materialentwicklung biete noch viel Potenzial für die Forschung, denn die Auswahl an Biomaterial für die sogenannte Biotinte ist derzeit noch sehr eingeschränkt. «Um gute Strukturen zu drucken, muss mit dem Biomaterial eine hohe Auflösung möglich sein. Dazu muss das Material unter anderem sehr schnell fest werden, damit definierte 3D-Strukturen gedruckt werden können».

Markus Rimann betont, dass keine übersteigerten Erwartungen an die Möglichkeiten des Bioprintings geweckt werden dürften. Die Technologie stecke noch in den Kinderschuhen, habe jedoch grosses Potential. «Wir sind noch weit davon entfernt, komplexe Organe wie Nieren zu drucken und zu implantieren. In einem ersten Schritt wird man eher kleinere funktionelle Einheiten von Organen drucken, die nur eine eingeschränkte Funktion übernehmen. Durchaus realistisch und zeitlich absehbar ist hingegen die Versorgung von Brandwunden mit neuer Haut aus dem Bioprinter. Hierfür wird die künstliche Haut direkt auf die Wunde gedruckt. Damit steigen die Chancen, dass das Gewebe anwächst.»

Ersatzteillager Mensch – Utopie oder Dystopie? Fotonachweis: ZHAW, Amélie Benoist

Strukturen und Nährstoffe
Die Generierung von dickeren Gewebeschichten für die Implantation ist auch Forschungsgegenstand eines Teams von US Forschern für regenerative Medizin am Wake Forest Baptist Medical Center (WFBMC). Anfang 2016 gelang es den Forschern, Ohr, Muskel und Knochenstrukturen zu drucken, die für die Implantation im Körper geeignet waren. Die Versorgung des Gewebes mit Nährstoffen wird bei ihrem Ansatz zunächst durch die verwendete Biotinte gewährleistet, die bereits Nährstoffe enthält. Ausserdem wird das Gewebe vom Drucker so aufgebaut, dass es mit feinen Kanälen durchsetzt ist. Diese Kanäle erlauben es Nährstoffen und Sauerstoff aus dem Körper in die Strukturen zu diffundieren, während sich ein System von Blutgefässen entwickelt.

Das Forscherteam konnte das Funktionieren der Methode nachweisen, indem es eine gedruckte Ohrmuschel bei Mäusen und gedrucktes Muskelgewebe bei Ratten implantierte. Nach zwei Monaten hatten sich beim implantierten Ohr Knorpel und Blutgefässe entwickelt, beim implantierten Muskelgewebe zeigten Tests bereits nach zwei Wochen, dass die Nervenbildung angeregt wurde. Ob diese Forschungsergebnisse des Teams um den Direktor des WFBMC, Prof. A. Atala, der lang erwartete Durchbruch der Bioprinting Technologie ist, wird sich zeigen müssen. (Quelle: Nature Biotechnology, Januar 2016)

Moralischer Fortschritt
Der Informations- und Maschinenethiker Oliver Bendel, Professor für Wirtschaftsinformatik an der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW, beurteilt den ethischen Aspekt der neuen Technologie als unbedenklich. «Die Produktion von Fleisch aus der Petrischale finden viele Menschen moralisch verwerflich», erzählt der Professor. «Ich sehe hierin jedoch einen Fortschritt. Ein moralisches Problem ist es vielmehr, Tiere zu töten.»

Auch gegen Organe aus dem Bioprinter hat er aus der Sicht der Ethik nichts einzuwenden – mit einer Ausnahme. «Wenn ich mir eine neue Leber drucken lasse und gegen die alte austausche, ist das moralisch unproblematisch. Sollte es eines Tages möglich sein, Gehirne zu drucken, bewegen wir uns in einem anderen Bereich.

Jeremy Bentham, Tierethiker und Begründer des Utilitarismus, plädierte mit dem Verweis auf die Leidensfähigkeit eines Wesens für dessen Rechte. Sobald ein solches Gehirn also leidensfähig ist, wenn es etwas empfinden kann oder eigene Interessen verfolgt, dann müssen seine Rechte geschützt werden. Doch das ist momentan Science-Fiction.»

Heike Henzmann, Dipl. Ing. Elektrotechnik



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Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

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Fachmesse für die Etiketten-, flexible Verpackungs- und Faltschachtelindustrie, die sich auf Drucktechnologien, Materialien und Produktionslösungen

Datum: 05.-08. Oktober 2027

Ort: Barcelona (ESP)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

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Texcare International

Weltweit führende Fachmesse für die Textilpflegebranche

Datum: 08.-11. November 2028

Ort: Frankfurt am Main (D)

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