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3D-Druck aus Kollagen und Zellen Forscher drucken menschliches Miniatur-Herz

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Forscher der Carnegie Mellon University haben eine Technik entwickelt, mit der sie voll funktionsfähige Komponenten des menschlichen Herzens herstellen können.

(Foto: Carnegie Mellon University College of Engineering/dpa)

Unzählige Menschen warten verzweifelt und oft sehr lange auf ein Spenderorgan. Könnte man die Organe nicht per 3D-Druck herstellen und so Abhilfe schaffen? Forscher stellen nun ein vielversprechendes Verfahren dazu vor: Sie drucken "Teile des Herzens, die tatsächlich funktionieren".

Ein neues Verfahren könnte künftig den 3D-Druck von Organen ermöglichen. In einem Machbarkeitsnachweis haben US-Forscher ein Miniatur-Herz, sich regelmäßig zusammenziehende kleine Herzkammern sowie Herzklappen geschaffen. "Wir haben gezeigt, dass wir aus Zellen und Kollagen Teile des Herzens drucken können, die tatsächlich funktionieren, etwa eine Herzklappe oder eine kleine schlagende Herzkammer", sagte Projektleiter Adam Feinberg von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. "Mit MRT-Daten eines menschlichen Herzens konnten wir patientenspezifische anatomische Strukturen präzise reproduzieren." Anwendungsreif ist die Methode aber noch nicht.

"Kollagen ist ein äußerst erwünschtes Biomaterial zum 3D-Druck, denn daraus besteht buchstäblich jedes einzelne Gewebe in Ihrem Körper", erklärte Ko-Autor Andrew Hudson. "Das Problem besteht darin, dass es anfangs eine Flüssigkeit ist, so dass es beim Druck eine Lache bilden würde. Daher haben wir eine Technik entwickelt, die eine Verformung verhindert."

Bei dem Verfahren namens FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) wird Kollagen von einem Drucker Schicht um Schicht in einem Gelbad aufgetragen, das die Form zunächst stützt. Nach Ende des Druckvorgangs wird das Gel dann auf 37 Grad - also Körpertemperatur - erhitzt und schmilzt, so dass das fertige Gerüst zurückbleibt, wie die Forscher im Fachblatt "Science" schreiben.

Mikrostruktur ermöglichst Einwachsen von Zellen und Blutgefäßen

Die Auflösung des Drucks liegt bei 20 Mikrometern (Tausendstel Millimetern). Das ist mehr als zehn Mal genauer als beim Vorläuferverfahren, das die Forscher vor vier Jahren ebenfalls in "Science" vorgestellt hatten. Zudem ermögliche die poröse Mikrostruktur das Einwachsen von Zellen und Blutgefäßen.

In weiteren Versuchen schufen die Forscher Modelle einer linken Herzkammer, in denen sie zusätzlich aus humanen embryonalen Stammzellen entwickelte Herzmuskelzellen (hESC-CMs) und Fibroblasten hinzufügten. "Nach vier Tagen zogen sich die Herzkammern sichtbar zusammen, und nach sieben Tagen hatten sie sich synchronisiert", berichtet das Team. Zudem druckten sie eine Herzklappe mit einem Durchmesser von 28 Millimetern.

Die Studie sei ein Machbarkeitsnachweis dafür, dass man mit dem Verfahren Gerüste für unterschiedliche Organe schaffen könne, auch wenn es noch viele Herausforderungen gebe - etwa die für Organe benötigten Milliarden Zellen und die Zulassung für den klinischen Einsatz. "Auch wenn wir den 3D-Druck eines voll funktionsfähigen Organs noch erreichen müssen, können wir nun Konstrukte bauen, die die strukturellen, mechanischen und biologischen Eigenschaften echter Gewebe zu umfassen beginnen."

"Ungeheuer nützlich"

Der 3D-Druck mit Kollagen sei "ungeheuer nützlich", weil Kollagen das häufigste Protein im Körper sei, schreiben Queeny Dasgupta und Lauren Black von der Tufts University im US-Staat Massachusetts in einem "Science"-Kommentar. Zudem könne man bei dem Verfahren noch andere wichtige Gewebebestandteile hinzufügen wie Fibrinogen, Alginat und Hyaluronsäure.

Noch seien Verbesserungen nötig, betonen Dasgupta und Black. Um die Komplexität von Körpergewebe nachzuahmen, müsse eine Druck-Auflösung von einem Mikrometer oder weniger erreicht werden. Das Verfahren sei aber ein wichtiger Schritt hin zur Produktion benötigter Organe durch 3D-Druck.

Vor überzogenen Erwartungen warnt Studienleiter Feinberg selbst: "Vor uns liegen noch viele Jahre Forschung, aber es ist aufregend, dass wir echte Fortschritte auf dem Weg hin zu hergestelltem, funktionsfähigem menschlichem Gewebe und zu Organen machen."

Organmangel ist ein weltweites Problem. Allein in den USA warten mehr als 4000 Menschen auf ein Spenderherz. In Deutschland, wo pro Jahr 300 Herzen transplantiert werden, warten nach Angaben der Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung (BZgA) etwa 700 Menschen auf ein Herz.

Quelle: n-tv.de, Walter Willems, dpa

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