Medizin Ersatzorgane im Labor gezüchtet

Von Tobias Stolzenberg 

Dieses menschliche Herz entstand teilweise im ­­­Bioreaktor. Foto: Jank/Ott Lab
Dieses menschliche Herz entstand teilweise im ­­­Bioreaktor.Foto: Jank/Ott Lab

Die Bereitschaft der Menschen, nach ihrem Tod Organe zu spenden, ist nach wie vor nicht sonderlich ausgeprägt. Umso wichtiger ist die Suche nach Alternativen. Doch wann könnten diese zur Verfügung stehen?

Boston - Allein in Deutschland stehen Tausende von Menschen auf der Warteliste für ein Ersatzorgan. Doch immer noch gibt es zu wenig geeignete Spenderorgane, und viele der Patienten sterben, bevor für sie ein Herz, eine Niere oder eine Leber zur Verfügung steht. Daher ist es der Traum vieler Mediziner, ein neues Organ im Labor herzustellen: passgenau, bedarfsgerecht und vor allem ohne die gefährlichen Abstoßungsreaktionen.

Als vor zehn Jahren die ersten Stammzellen aus ausdifferenzierten Körperzellen hergestellt wurden, kam das für die Transplantationsmedizin einer Revolution gleich. Mit diesen sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen, kurz iPS-Zellen, wollte man nun endlich die benötigten Organe und Gewebe in der Petrischale oder dem Bioreaktor nachzüchten und so den Organmangel ein für alle Mal beheben.

Was die Forscher dank der iPS-Zellen in gerade einmal einer Dekade vorgelegt haben, kann sich sehen lassen: hohle, dreidimensionale Miniorgane, die in ihren Funktionen Niere, Leber oder sogar dem Gehirn ziemlich nahekommen. „Die Technik, aus Stammzellen in der Kulturschale solche Organoide zu züchten, ist mittlerweile sehr ausgereift“, erläutert der niederländische Biologe und Mediziner Hans Clevers, der als Pionier auf diesem Gebiet gilt. Auch wenn diese organähnlichen Gebilde noch lange nicht als Ersatzorgan taugen, so haben sie doch mittlerweile größte Bedeutung in der Grundlagenforschung und der Medikamentenentwicklung erlangt.

Künstliches Herz aus einem Spenderorgan

Experten halten es inzwischen aber für fraglich, ob sich über derartige dreidimensionale Zellkulturen überhaupt so komplexe Organe wie ein Herz oder eine Niere nachbauen lassen. Denn sobald ein Gewebe dicker ist als einige Millimeter, benötigt es auch ein Blutgefäßsystem – sonst geht es zugrunde. Derzeit versuchen Organzüchter zwar, ihren rudimentären Miniorganen mithilfe von Eiweißgerüsten so etwas wie ein Gefäßsystem zu verpassen, aber bisher mit mäßigem Erfolg.

Ein Ansatz, der dieses Problem umgeht, kommt aus dem Labor von Harald Ott vom Massachusetts General Hospital in Boston. Gemeinsam mit seiner vielköpfigen Forschergruppe hat der gebürtige Österreicher eine Methode entwickelt, bei dem sämtliche Zellen aus einem Spenderorgan, etwa einem Herzen, herausgewaschen werden. Übrig bleiben nur noch das tragende Proteingerüst und die versorgenden Blutgefäße. Dieses zellfreie Gerippe setzen die Wissenschaftler in einen speziellen Bioreaktor, wo sie es mit frischen iPS-Zellen des potenziellen Organempfängers besiedeln. Mit bestimmten Wachstumsfaktoren sorgen sie dafür, dass aus den reprogrammierten Patientenzellen tatsächlich Herzmuskelzellen entstehen – und so etwas wie ein neues Herz bilden.

„Bei diesem Verfahren müssen wir das tragende Gerüst aus Bindesubstanzen nicht erst künstlich herstellen“, erklärt Ott. „Indem wir die Strukturen von normal gewachsenen Organen verwenden, kann sich jede der neuen Zellen problemlos in ihrer Nische ansiedeln.“ Entwickelt hat der Chirurg das Verfahren zunächst an Nieren und Lungen von Ratten. Mittlerweile funktioniere es aber auch mit menschlichen Spenderherzen recht gut, zumindest in Laborversuchen. Noch sei man viele Jahre von der Konstruktion eines voll funktionstüchtigen Herzens entfernt, stellt Harald Ott klar. Doch die Arbeiten mit den künstlich reprogrammierten Stammzellen laufen so gut, dass der Transplantationsmediziner die ersten regenerativen Produkte schon in den kommenden zehn bis fünfzehn Jahren im klinischen Einsatz sieht.

Die Zukunft: Implantate aus dem 3D-Drucker?

Einen ganz anderen Weg gehen die Wissenschaftler und Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Hier arbeiten die Forscher an Hightech-Fasern, die künftig menschliches Gewebe ersetzen sollen, beispielsweise als Herzklappenersatz oder nach einem Herzinfarkt. Mit einem als Elektrospinning bezeichneten Verfahren stellen die Forscher ein hauchdünnes Vlies aus Polymerfasern her und weben dabei bestimmte Proteine in das Gewebe mit ein. Derart ausgestattet und dem Patienten eingesetzt lockt das Trägersub­strat die körpereigenen Stammzellen an und hält sie fest.

Diese Vorläuferzellen bilden dann neue Herzmuskelzellen oder bauen eine neue Herzklappe auf, die bei Kindern sogar mitwachsen kann. „Wir stellen also ein zellfreies Trägersubstrat her, das erst im Körper von den Zellen besiedelt wird“, erläutert Svenja Hinderer, Wissenschaftlerin am IGB. Der Vorteil: Zellfreie Implantate müssten lediglich als Medizinprodukt, jedoch nicht als Arzneimittel für neuartige Therapien zugelassen werden. Bis es aber so weit ist, muss die künstliche Herzklappe ihre Leistungsfähigkeit erst in Tierversuchen an Schweinen unter Beweis stellen.

Andere Forscher wollen Körpergewebe – und irgendwann auch ganze Organe – künftig einfach ausdrucken. Erst Ende vergangenen Jahres haben spanische Mediziner einen Gewebedrucker nebst passender Biotinte präsentiert, der funktionstüchtige menschliche Haut Schicht für Schicht aufbauen kann. „Dabei ist es natürlich entscheidend, wie wir die einzelnen biologischen Komponenten zusammenstellen“, erklärt Juan Francisco del Cañizo von der Madrider Uniklinik die Herausforderung, die das 3-D-Bioprinting an Ärzte, Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker stellt. „Und natürlich müssen wir sicherstellen, dass die Zellen beim Drucken und später im fertigen Produkt voll funktionsfähig bleiben.“ Zurzeit, so die Entwickler, werden 3-D-Gewebedrucker und Biotinte von den europäischen Behörden geprüft, damit die gedruckte Haut für Hauttransplantationen, etwa bei Verbrennungsopfern, zugelassen werden kann.

Immerhin: Bei Mäusen, die diese künstliche Haut transplantiert bekamen, wuchs das gedruckte Gewebe problemlos an. Doch trotz aller Erfolge der vergangenen zehn Jahre: Derzeit ist es vollkommen offen, wann die ersten „richtigen“ Organe aus der Kulturschale, dem Bioreaktor oder dem Bioprinter zur Verfügung stehen. Überhaupt ist es fraglich, ob diese Vision irgendwann einmal Wirklichkeit wird.

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