Es ist eine bekannte Tatsache, dass Transplantate jedes Jahr stärker nachgefragt werden. Nicht weniger als 113.000 Menschen waren es im Jahr 2019, die sich allein in den Vereinigten Staaten von Amerika auf der Warteliste für Transplantationen befanden. Die Zahl von Menschen, die auf ein Transplantat hoffen, ist jedes Jahr deutlich größer als die Zahl von Spendern. Daher scheint der 3D-Biodruck, auch gerne als „Bioprinting“ bezeichnet, lang ersehnte Abhilfe gegen dieses Dilemma zu schaffen.
Tierversuche würden ebenso überflüssig werden wie Organspendeausweise und schwere Verletzungen könnten sich quasi per Knopfdruck schließen lassen. Dies ist aktuell leider noch eine Utopie. Bioprinting könnte jedoch den Weg dorthin bereiten.
Was ist Bioprinting eigentlich genau?
Ganz einfach ausgedrückt ist Bioprinting nichts anderes als eine Sonderform des 3D-Drucks. Als Grundlage kommt jedoch kein festes Material zum Einsatz, sondern speziell gezüchtete Zellen. Ein sogenannter Bioprinter erlaubt es, künstliche Strukturen oder Gewebe herzustellen. In naher Zukunft soll es damit sogar möglich sein, funktionsfähige Organe zu erzeugen. Das Verfahren des Bioprinting bezeichnet die Wissenschaft häufig als nächste Technikrevolution in der Geschichte der Medizin. Damit soll es möglich sein, maßgeschneiderte und lebenswichtige Organe aus Zellen der Patienten herzustellen. Das Abstoßungsrisiko bei Transplantationen soll aufgrund des patienteneigenen Gewebes deutlich reduziert werden können.
Wie funktioniert Bioprinting?
Grundlage dafür, um künstliches Gewebe bzw. funktionsfähige Organe produzieren zu können, sind Zellen. Hierbei kann es sich um Zellen aus dem jeweiligen Organ oder Stammzellen aus dem Beckenkamm handeln. Diese lassen sich dann im Labor im größeren Umfang vermehren und anschließend auf synthetische oder tierische Gerüste auftragen. Diese bilden die Umgebung des Körpers nach. Die Entwicklung der Zellen auf diesem Gerüst wird durch die Zugabe von Wachstumsfaktoren realisiert. Hierbei handelt es sich um spezielle Enzyme. Das Ergebnis ist funktionstüchtiges Gewebe, das im letzten Schritt dann dem Patienten transplantiert werden kann.
Zwei gängige Methoden bei der künstlichen Herstellung von Gewebe
Aktuell herrschen zwei Methoden vor, um Gewebe auf künstliche Art und Weise herzustellen. Diese sind einem gewöhnlichen Papierdrucker in ihrer Funktion sehr ähnlich. Man unterscheidet zwischen dem Druck nach dem Tintenstrahl-Prinzip und dem 3D Druck nach dem Laserprinzip.
- Laserprinzip: Durch einen Laserstrahl erzeugt man einen Dampfdruck. Dieser schleudert winzig kleine Tropfen eines Gels, das mit Zellen angereichert wurde, auf eine Unterlage. Auf dieser kann sich das Gewebe Tropfen für Tropfen bilden.
- Tintenstrahl-Prinzip: Hierbei spritzen zwei Düsen abwechselnd Flüssigkeit auf eine Unterlage. Die erste Düse spritzt sogenanntes Hydrogel auf die Unterlage. Hierbei handelt es sich um einen zähflüssigen Kunststoff, der schnell fest wird. Aus der zweiten Düse hingegen stammen lebende Zellen. Das Gewebe kann so Stufe für Stufe in die Höhe wachsen.
Einige Beispiele für den Einsatz von Bioprinting
Es gibt einige Projekte im Bereich Bioprinting, die in der Zukunft umgesetzt oder bereits heute realisiert worden sind. Einige Beispiele finden Sie in diesem Abschnitt.
Bauchspeicheldrüse für Diabetiker aus dem 3D Drucker
Eine funktionsfähige Bauchspeicheldrüse aus dem 3D Drucker? Für Diabetiker klingt dies sicherlich wie ein Traum, denn hierdurch würde das regelmäßige Spritzen von Insulin wegfallen. Zusätzlich ließe sich hiermit die Gefahr von damit zusammenhängenden Sekundärkomplikationen minimieren. Um eine solche Bauchspeicheldrüse aus dem 3D Drucker generieren zu können, benötigt es zunächst eine Biopsie des Patienten. Im Anschluss lassen sich die Zellen so umwandeln, dass sie dazu fähig sind, Glukagon und Insulin herzustellen. Hieraus letztlich lässt sich eine Bauchspeicheldrüse drucken.
Eine Leber aus dem 3D Drucker
Tatsächlich ist es Forschern der Universität von Sao Paulo in Brasilien bereits gelungen, eine Miniaturversion einer menschlichen Leber aus Blutzellen zu drucken. Von der Blutentnahme bis zur Gewebeproduktion dauerte der Prozess etwa drei Monate. Die Miniaturversion der Leber kann sämtliche Funktionen des menschlichen Organs erfüllen, so unter anderem die Herstellung lebenswichtiger Proteine, Gallenabsonderungen sowie die Speicherung von Vitaminen.
Ein künstliches 3D-Herz: Wichtiger Durchbruch beim Bioprinting
Im April 2020 konnte man einen wichtigen Durchbruch im medizinischen Bereich vermelden. An der Universität in Tel Aviv konnte ein Forscherteam erfolgreich ein Herz mit menschlichen Zellen drucken. Dieses Herz konnte vollständig den anatomischen und immunologischen Eigenschaften eines menschlichen Patienten entsprechen. Die Komplexität dieses künstlich hergestellten Herzens wurde von Wissenschaft und Medizin gleichermaßen bewundernd anerkannt.
Hat Bioprinting in der Medizin tatsächlich Zukunft?
In den vergangenen Jahren konnte sich der 3D-Druck im Bereich der Medizin immer schneller ausbreiten. Bereits seit einiger Zeit lassen sich Hörgeräte, chirurgische Instrumente und auch Zahnkronen erfolgreich mit 3D-Druckern herstellen. Der 3D-Druck ist heute zum Teil auch schon für die Herstellung von Tabletten hilfreich. Generell kann der Einsatz von 3D-Druckern die Medizin auf zwei Arten unterstützen:
- Auf der einen Seite können Chirurgen passgenaue Implantate herstellen.
- Auf der anderen Seite ist es durch Modelle aus dem 3D-Drucker möglich, Operationsvorbereitung zu üben um auf diese Weise ein besseres Verständnis für den geplanten Eingriff zu erlangen.
Bioprinting ist ein eigener Bereich, mit dem die Medizin die Behandlungsmöglichkeiten weiter verbessern kann.
Exakt an den Kunden angepasste Implantate aus dem 3D-Drucker
Mit dem 3D-Druck ist im medizinischen Bereich zum Beispiel das Anfertigen von kundenspezifischen Implantaten möglich. Solche Implantate nach Maß können die individuellen Anforderungen der Patientinnen und Patienten problemlos erfüllen. Mit einem derartigen Implantat ist es möglich, die Funktionen eines Organs über einen längeren Zeitraum hinweg zu unterstützen oder auch ganz zu ersetzen. Das Implantat ist vollständig an den jeweiligen Patienten und seine Anatomie angepasst. In dieser Hinsicht kann der 3D-Druck seine Stärken voll ausspielen und beim anfertigen individueller Implantate oder Prothesen helfen.
Das Potenzial von Bioprinting steigt immer weiter
Auch medizinische Unternehmen haben natürlich das Potenzial von 3D-Druck längst erkannt. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass bereits ein Drittel aller Unternehmen aus dem Bereich der Medizintechnik und der Pharmazie Erfahrungen mit dem 3D-Druck sammeln konnte. Nichtsdestotrotz befindet sich die additive Fertigung in harter Konkurrenz zu den traditionellen Herstellungsmethoden, was vor allem den 3D-Druck umfangreicher Fertigungsserien betrifft. Der 3D-Druck würde hierbei viel Zeit in Anspruch nehmen; im medizinischen Bereich bedeutet dies jedoch keine Herausforderung, da hier individuell auf den Kunden angepasste Lösungen verwendet werden.
Ausblick: Wie steht es um die Zukunft von Bioprinting?
In der letzten Zeit gab es vielversprechende Entwicklungen im Bereich Bioprinting. Dennoch sieht sich diese Technologie auch mit einigen Schwierigkeiten und Grenzen konfrontiert.
So ist es heute zwar bereits möglich, funktionelle Organe zu entwickeln, mit denen sich menschliche Organe ersetzen lassen; jedoch ist es noch nicht möglich, auch zu garantieren, dass der Körper des Patienten das künstliche Organ bzw. das neue Gewebe auch akzeptiert und nicht abstößt.
Nicht unterschätzt werden sollte auch die Gefahr des Missbrauchs dieser neuen Technologie. Sollte man in der Lage dazu sein, Gewebe oder Organe künstlich herzustellen, die auf die jeweiligen Bedürfnisse eines Menschen zugeschnitten sind, bringt dies das Potenzial mit sich, neue übermenschliche Fähigkeiten zu schaffen, was insbesondere militärische Gruppen faszinieren dürfte. Die Erkenntnisse und Möglichkeiten des Bioprinting sollten also auf keinen Fall in die falschen Hände geraten.
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Quellen:
- https://www.3dnatives.com/de/die-spannendsten-projekte-rund-um-3d-gedruckte-organe/
- https://www.mdr.de/wissen/kuenstlicheorgane130.html#:~:text=Es%20besch%C3%A4ftigt%20sich%20mit%20der,Zellen%20aus%20dem%20betroffenen%20Organ.
- https://www.zukunftsinstitut.de/artikel/bioprinting-der-gedruckte-mensch/
- https://www.health-rise.de/mit-bioprinting-zum-gedruckten-organ/
