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Wissen Forschern gelingt nächster Schritt zum Herz aus dem 3D-Drucker
Nachrichten Wissen Forschern gelingt nächster Schritt zum Herz aus dem 3D-Drucker
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13:02 05.08.2019
Forscher der Carnegie Mellon Universität haben eine Technik entwickelt, Kollagen per Bioprinter auszudrucken und so funktionsfähige Gewebekomponenten des menschlichen Herzens zu erstellen. Quelle: Foto: Carnegie Mellon University College of Engineering
Pittsburgh

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. FRESH (Freigeformte reversible Einbettung suspendierter Hydrogele) heißt die Technik, eine beispiellose Auflösung und Detailtreue mit flexiblen und lebenden Materialien zu erzielen.

Über die Versuche berichtet das Forscherteam der Carnegie Mellon University in einem Forschungspapier in der Fachzeitschrift „Science“. Darin beschreiben die Wissenschaftler, wie sich über 3D-Druck Gewebegerüste aus Kollagen erstellen lassen, dem wichtigsten Strukturprotein im menschlichen Körper. Dieses vollständig neue Verfahren ist ein weiterer Schritt der Gewebe-Technik, ein vollwertiges menschliches Herz im 3D-Druck zu erstellen.

Wachstumsgerüst für Zellen aus dem Drucker

Jedes der Organe im menschlichen Körper, wie etwa das Herz, besteht aus spezialisierten Zellen, die von einem biologischen Gerüst, der sogenannten extrazellulären Matrix (EZM) zusammengehalten werden. Das Netzwerk der EZM-Proteine liefert die Struktur und die biochemischen Signale, die Zellen benötigen, um ihre normale Funktion zu erfüllen. Es war bislang nicht möglich, diese komplexe EZM-Architektur mit herkömmlichen Biofabrikationsverfahren nachzubilden.

„Wir haben bewiesen, dass wir Teile des Herzens aus Zellen und Kollagen drucken können, die wirklich funktionieren, beispielsweise eine Herzklappe oder eine kleine schlagende Herzkammer“, sagt Adam Feinberg, Professor für Biomedical Engineering (BME) und Materialwissenschaft und Engineering an der Carnegie Mellon, in dessen Labor die Entwicklungsarbeit stattfand. „Wir konnten mit Hilfe der MRT-Daten eines menschlichen Herzens die patientenindividuelle anatomische Struktur exakt reproduzieren und mit 3D-Druck Kollagen und menschliche Herzzellen erstellen.“ Das heißt, dass die Wissenschaftler in der Lage waren, die individuellen Eigenheiten eines Herzens anhand von Messdaten exakt zu kopieren.

Erst kürzlich hatten israelische Wissenschaftler ein durchblutungsfähiges Modell eines menschlichen Herzens gedruckt, das die Größe eines Hasenherzens hat.

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„Gedruckte“ Organe: Hoffnung für Tausende Transplantations-Patienten

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. Der Bedarf an Ersatzorganen ist immens und macht neue Ansätze erforderlich, um künstliche Organe zu entwickeln, die eine Organfunktion dauerhaft reparieren, ergänzen oder ersetzen können. Feinberg, ein Mitglied der Bioengineered Organs Initiative der Carnegie Mellon University, arbeitet daran, diese Herausforderungen mit einer neuen Generation biotechnologisch hergestellter Organe zu lösen, bei denen die natürlichen Strukturen besser nachgebildet werden.

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„Kollagen ist ein äußerst begehrtes Biomaterial für den 3D-Druck, da buchstäblich jedes einzelne Gewebe im Körper aus Kollagen gebildet wird“, erläutert Andrew Hudson, BME Doktorand in Feinbergs Labor und Co-Autor der Arbeit. „Was den 3D-Druck so erschwert, ist die flüssige Ausgangsform des Materials – wenn man versucht, unter normalen Bedingungen zu drucken, bleibt nur eine Pfütze. Wir haben also eine Technik entwickelt, die verhindert, dass sich das Ergebnis verformt“.

Eine Model für das Kollagen

Das in Feinbergs Labor entwickelte FRESH 3D-Bioprinting-Verfahren ermögliche, das Kollagen Schicht für Schicht in einem unterstützenden Gelbad abzulagern, so dass es an Ort und Stelle erstarren kann. Das stützende Gel lässt sich laut der Forscher mit Hilfe des FRESH-Verfahrens leicht abschmelzen, indem das Gel nach dem Druck von Raumtemperatur auf Körpertemperatur erwärmt wird. Die Forscher könnten auf diese Weise das tragende Gel entfernen, ohne die gedruckte Kollagen- oder Zellstruktur zu schädigen – so ähnlich wie bei einer Model, in die eine Form gegossen wird.

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Das Verfahren könnte bahnbrechend für den 3D-Bioprinting-Bereich sein, da es ermöglicht, Kollagengerüste in großer Zahl für menschliche Organe zu drucken. Die Auflösung des Drucks liegt bei 20 Mikrometern (Tausendstel Millimetern). Das ist mehr als zehn Mal genauer als beim Vorläuferverfahren, das die Forscher 2015 ebenfalls in „Science“ vorgestellt hatten. Zudem ermögliche die poröse Mikrostruktur das Einwachsen von Zellen und Blutgefäßen.

Die Technik sei aber nicht auf Kollagen beschränkt; mit der Technik ließen sich eine Vielzahl von weiteren Gelen, darunter Fibrin, Alginat, und Hyaluronsäure, für das 3D-Bioprinting einsetzen. So könne eine robuste und anpassungsfähige Gewebe-Entwicklungs-Plattform entstehen. Nicht nur Patienten könnten potenziell von dem neuen Verfahren profitieren. Entwickelt worden sei auch ein Open-Source-Design, damit könne künftig nahezu jeder Anwender – vom medizinischen Labor bis zum naturwissenschaftlichen Gymnasium – kostengünstige hochleistungsfähige 3D-Biodrucke erstellen, heißt es.

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FRESH, so die Wissenschaftler, biete zahlreiche zukünftige Einsatzmöglichkeiten in vielen Feldern der regenerativen Medizin, von der Wundheilung bis zum Bioengineering von Organen, sei aber nur ein Teil des wachsenden Bereichs der Bioproduktion. „Es ist dabei wichtig zu wissen, dass wir noch viele Jahre Forschung vor uns haben“, ergänzt Feinberg, „aber es ist bereits sehr spannend, dass wir echte Fortschritte bei der Entwicklung von funktionalem menschlichem Gewebe und Organen erzielen, und diese Arbeit zeigt auf, wo wir stehen“.

Von RND/dpa/dk