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    3D-Bioprinter – menschliche Organe aus dem Drucker

3D-Bio-Drucker revolutionieren unsere Vorstellung von Leben und Gesundheit und werden die gesamte Gesundheitslandschaft verändern.

3D-Druck wird heute als eine der innovativsten Techniken der jüngeren Geschichte betrachtet. Mittels 3D-Druckern lassen sich Kleidung und Spielzeuge herstellen, aber auch Lebensmittel kommen heute bereits aus dem Drucker. Und die Entwicklungen schreiten rasant voran und erfassen alle erdenklichen Lebensbereiche. Das US-Unternehmen Organovo sorgte weltweit für Aufsehen, als es bekannt gab, Teile einer menschlichen Leber drucken zu können. Das künstlich erstellte 3-dimensionale Gewebe der Leber überlebte im Labor 40 Tage. Organovo forciert den Einsatz der Bio-Drucker für medizinische Pläne. Momentan wird am Druck künstlicher Blutgefäße für die Gefäßchirurgie gearbeitet.

Was ist Tissue Engineering?

Die ersten 3D-Drucker wurden bereits in den 1980-er Jahren gebaut, aber erst in den vergangenen Jahren kam es auch zu ihrer raschen Verbreitung. Seit dem Jahr 2000 sind darüber hinaus auch Bioprinter, also organische Drucker bekannt. Darunter versteht man eine spezielle Form des 3D-Drucks, die es durch Techniken des Tissue Engineering ermöglichen, Gewebe aus gezüchteten Zellen herzustellen. Unter Tissue Engineering versteht man generell Techniken des Drucks regelmäßiger Strukturen (Bioarrays) oder von Gewebe aus zuvor gezüchteten einzelnen Zellen. Das dahinter stehende Ziel ist es, künstliches Fleisch für die Lebensmittelindustrie oder Organe für die Medizin herzustellen.

Einer der ersten wissenschaftlichen Versuche des Bioprints wurde in einer Publikation mit dem Titel „Inkjet printing of viable mammalian cells“ (2004) der Clemson University, Department of Bioengineering erwähnt. Dabei wurde ein modifizierter Tintenstrahldrucker von HP verwendet, wobei die Revolution darin bestand, dass die Zellen den Druckprozess überhaupt überlebten.

Neue Massstäbe in der Forschung

In der Forschung wird die Bandbreite der 3D-Bio-Drucker weiter voran getrieben und in der Medizin lassen sich erste erfolgsversprechende Ergebnisse nennen. So wurde im Jahr 2012 für ein 3-Monate altes Kind eine synthetische Luftröhre via 3D-Drucker konstruiert, ebenso entstanden eine menschliche Herzklappe, kleine Adern und ein Ohr. Das erklärte Ziel ist es, dass in einigen Jahren ganze Organe wie Herz, Lunge und Bauchspeicherdrüse aus dem Drucker kommen.

Wissenschaftler des russischen Labors „3D Bioprinting Solutions“ gaben bekannt, bereits heuer die erste Schilddrüse produzieren zu können, da dieses Organ über eine vergleichsweise einfache Struktur verfüge. Dabei werden Stammzellen aus dem Fettgewebe entnommen, die dann als „Druckertinte“ fungieren. In drei Jahren, also 2018 soll auf diese Weise schießlich die erste funktionale Niere hergestellt werden.

An der Harvard University forscht man bereits an der Herstellung von künstlichen Nieren durch 3D-Biodrucker, da der benötigte Anteil von Nieren an Transplantationsorganen bis zu 80 Prozent beträgt und die Sterberate von Patienten, die auf eine Spenderniere warten, sehr hoch ist. Im Jahr 2013 warteten in Österreich z.B. 724 Patienten auf eine Niere, auf ein Herz, das zweitmeistbenötige Organ, hingegen nur 84 Patienten. So genannte „Nephronen“, einfache Modelle von Nierenstrukturen, wurden bereits mittels 3D-Biodruck hergestellt. In naher Zukunft sollen Nephronen in der Pharmaindustrie eingesetzt werden, um die Verträglichkeit und Wirkung von hochwirksamen Medikamenten zu testen. Dominik Wehner, Vorstandsmitglied von Fresenius Medical Care – ein auf die Betreuung von Dialysepatienten in den eigenen vier Wänden spezialisiertes Unternehmen – sprach auf dem Gesundheitskongress “Health 3.0″ in Düsseldorf am 15. April 2015 über die wichtigsten Innovationen in der Medizin und erwähnte auch den 3D-Organdruck. Was bedeutet es für ein Unternehmen seiner Branche, wenn es möglich ist, Organe zu drucken?

„Die Gesundheitsbranche ist im Umbruch.
Wenn es möglich sein wird, Organe zu drucken, werden wir dynamisch auf die Veränderungen reagieren.“

Organe als Versuchskaninchen

Die im Augenblick in Testlabors gedruckten Organe oder Organteile wie Lunge, Muskel, Blutgefäße, Nerven, Herz und Knochen dienen der Forschung im Augenblick insbesondere dazu, Krankheiten und deren Verlauf zu testen. Bis es tatsächlich gelingen könnte, vollständige Organe zu drucken, werden noch Jahrzehnte vergehen. Damit ein Organ in einen menschlichen Organismus eingebaut werden kann, muss nämlich das gesamte Versorgungsnetz mitgedruckt werden. Nur so können Nieren, Herzen und Leber aus der Maschine einen Menschen auch wirklich dauerhaft am Leben erhalten.

Eins scheint aber absehbar: Der Markt im Bereich des 3D-Drucks wächst kontinuierlich und das 3D-Bio-Printing zählt dazu. „Wohler Associates“ – ein Beratungsunternehmen, das sich mit neuen Entwicklungen und Trends der Produktentwicklung beschäftigt – geht davon aus, dass im Jahr 2021 die 3D-Industrie 10,8 Milliarden erwirtschaften wird.

Chance und Risiko

Für Patienten, die auf Spenderorgane warten, klingen die aufgezeigten Bestrebungen der Forschung und Entwicklung fast wie ein Märchen oder wie die Erfüllung eines lange ersehnten Traums. Laut der Stiftung Eurotransplant, die für die Zuteilung für Spenderorgangen in sieben europäischen Ländern verantwortlich ist, warten in Europa derzeit 15.000 Patienten auf ein Spenderorgan, in Österreich sind es rund 1000. Die Abstoßungsrate bei Organtransplantationen soll beim Bioprinting zudem deutlich geringer sein.

Doch in welche Richtung wird sich unser Lebensstil entwickeln, wenn man alle Risiken auf sich nehmen kann, unter der Gewissheit, dass ein unerschöpfliches Ersatzteillager bereit liegt? Die kanadische Schriftstellerin Margaret Atwood hat in ihrem Roman „Oryx and Crake“ eine Welt beschrieben, in der es möglich ist, menschliche Organe zu drucken und auf Ersatz zu lagern. Eines der Zitate aus diesem dystopischen Roman lautet: “We understand more than we know.” Wenn auch die Vorstellung noch weit von der Realität entfernt ist, dürfen die Konsequenzen der neuen Technologien nicht außer Acht gelassen werden, aber sicher ist zugleich, was sich für ein gigantischer Wandel in der Gesundheitsbranche abzeichnet: Der technologischen Revolution folgt die bio-technologische Revolution.

SCIENCE INFO

Die folgenden Forschungsarbeiten zeigen, in welche Richtung sich das 3D-Bioprinting im medizinischen Bereich entwickeln kann.

  • Anthony Atala, MD, Director Chair vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine züchtete weltweit erstmals Harnblasen im Labor.
  • An der Herstellung von autologen Herzklappen wird am Institut für Angewandte Medizintechnik in Aachen gearbeitet.
  • Mit einem 6-Achsen 3D Drucker will Dr. Stuart Williams, Cardiovascular Innovation Institute an der Universität Louisville, ein menschliches Herz erstellen.
  • An der University of Nottingham wird an der Erstellung von Knochen aus Stammzellen geforscht.
  • Wissenschaftler an der University of Hasselt BIOMED Research Institute in Belgien haben ein 3D-Modell des Unterkiefers einer 83-jährigen Frau erstellt, da ihr eigener Kiefer durch einen Virusbefall zerstört worden war.

 

Elisabeth Hödl ist Chief Scientific Officer bei WATCHDOGS und für die Entwicklung der Forschungskapazitäten und Forschungsprodukte sowie für die Kommunikation mit der Scientific Community zuständig. WATCHDOGS SCIENCE ist Knotenpunkt für wissenschaftliche, rechtliche und mediale Trends in der Informationsgesellschaft.
Tanja Rohrer ist Soziologin, Absolventin des Medienlehrgangs an der Karl-Franzens-Universität Graz und bei WATCHDOGS – The Data Company als Data Analyst beschäftigt. Zu ihren Aufgaben zählen Datenrecherche, Datenanalyse und Datenverknüpfung.
 
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