Dr. Lothar Koch: Organe aus dem Drucker – Dreidimensionales „Zell-Drucken“ zur Erzeugung biologischen Gewebes

3D-Drucker für den Privatgebrauch kann man inzwischen für unter 1.000 Euro kaufen. Diese können dreidimensionale Strukturen aus thermoplastischen Kunststoffen drucken. Auch für andere Materialien gibt es bereits 3D-Drucker. Solche Drucktechniken werden nun seit einigen Jahren auch für Anwendungen in der Medizin erprobt.

 

Ein neuer, interessanter Bereich ist das Drucken von individualisierten Implantaten oder das Drucken von Stützstrukturen (Scaffolds), die danach mit Zellen be­­siedelt zum Beispiel als Knochen- oder Knorpelersatz dienen sollen. Es wird aber auch daran gearbeitet, die Zellen selbst zu drucken, um so biologisches Gewebe zu erzeugen. Zukünftig könnten so vielleicht ganze Ersatzorgane hergestellt werden. Damit würde man nicht nur dem Organspendemangel begegnen, man könnte sogar durch das Verwenden patienteneigener Zellen Abstoßungsreaktionen verhindern und somit das bei normalen Transplantationen notwendige lebens­­­­lange Einnehmen von Immunsupressiva erübrigen.

Bevor gedruckte Gewebe und Organe in Patienten trans­­plantiert werden, bieten sich jedoch auch noch viele Anwendungsmöglichkeiten für gedruckte Zellstrukturen in der Forschung. Denn für die Herstellung komplexer Gewebe und für (Stamm-)Zell-basierte Therapien ist zunächst ein umfassendes Verständnis der Wechsel­wir­­kungen zwischen verschiedenen Zellen und ihrer Umgebung notwendig. Übliche Zellstudien in zwei­dimensionalen Zellkulturen (Petrischalen, in vitro) sind nicht geeignet, die komplexen Interaktionen in drei­­dimensionalen Geweben und Zell-Mikroumgebungen wie im Körper (in vivo) zu simulieren. Zellen verhalten sich in 3D grundlegend anders.

Daher könnten gedruckte 3D Zellmuster die Lücke zwischen üblichen Zellkulturen in vitro und Tiermodellen in vivo füllen. Innovative 3D Zell-Modelle könnten zu neuen Erkenntnissen über Zellverhalten, Gewebe­funk­tionen und –regeneration und Effekte von Biowirkstoffen und Pharmazeutika führen. Bei Verwendung humaner Zellen könnten sie Tiermodelle langfristig an Relevanz für die Medizin sogar übertreffen und ersetzen.

Für das Drucken lebender Zellen werden verschiedene Drucktechniken erprobt. Generell werden dabei keine „nackten“ Zellen gedruckt, sondern diese werden in ein Medium eingemischt/suspendiert. Meistens werden hierfür Wasser-basierte Gele (Hydrogele) bzw. deren noch nicht gelierte Vorstufen, Sole genannt, verwendet. Diese müssen mehrere Funktionen erfüllen. Sie müssen für den Druckprozess geeignet sein, wobei die Viskosität eine wichtige Rolle spielt; sie sollen nach dem Drucken als sogenannte extrazelluläre Matrix dem gedruckten Gewebestück Festigkeit und Struktur verleihen, wozu die Sole durch das Drucken einer weiteren passenden chemischen Substanz ausgeliert werden kann; sie müssen den Zellen eine lebensfreundliche, nährstoffreiche Umgebung bieten; sie sollten das Ver­­halten der Zellen nach dem Drucken nicht unerwünscht beeinflussen. Interessant sind insbesondere Gele, die auch natürlich im menschlichen Körper vorkommen, wie Kollagen, Fibrin, Hyaluronsäure; allerdings muss das Gel jeweils passend zu den Zellarten bzw. dem zu druckenden Gewebe ausgewählt werden.

Als Drucktechniken werden zum einen modifizierte Tinten­­strahldrucker verwendet, bei denen die Tinte durch eine Zellsuspension ersetzt wird. Diese erreichen eine hohe Auflösung. Allerdings können so nur Zell-Sol-Gemische mit geringer Viskosität und geringer Zelldichte verwendet werden, da sonst die Düsen verstopfen. Die Zell­­dichten in natürlichen Geweben wie zum Beispiel der oberen Hautschicht (Epidermis) lassen sich damit nicht erreichen. Zum anderen werden Extrusionssysteme ver­­wendet, bei denen das Zell-Sol-Gemisch durch Düsen mit einem Innendurchmesser von etwa 50 bis 1.000 Mikro­metern ausgedrückt wird, vergleichbar mit einer Spritze oder Pipette. Bei kleinen Düsendurchmessern haben diese vergleichbare Nachteile wie die Tinten­­strahldrucker; bei größeren Innendurchmessern leidet die Druckauf­lösung, es können aber hohe Zelldichten und höherviskose Gele verwendet werden.

Eine düsenfreie, laser-basierte Technik, die es erlaubt, eine hohe Zelldichte und eine hohe Viskosität mit einer hohen Auflösung zu kombinieren, wird unter anderem am Laser Zentrum Hannover in der Abteilung Nano­­technologie erprobt. Diese wird in modifizierter Form bereits genutzt, um elektronische Leiterbahnen zum Beispiel auf Solarzellen zu drucken. Bei der biomedi­zinischen Anwendung werden kleine Tropfen des Zell-Sol-Gemisches mit Volumina im Pikoliterbereich (wenige 10 Mikrometer Durchmesser) aus einer Solschicht mittels Laser „herausgeschossen“. Nun kann Tropfen für Tropfen ein frei wählbares Muster gedruckt werden und Schicht für Schicht auch ein dreidimensionales Muster.

Es wurde von verschiedenen Forschergruppen intensiv untersucht, ob der Druckprozess die Zellen schädigt oder beeinflusst. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei Wahl geeigneter Parameter die Zellen zu nahezu 100 Prozent den Druckprozess überleben und nicht verändert werden. Auch Stammzellen werden in ihrem Differenzierungsverhalten nicht beeinflusst. So wurden bereits Stammzellen in definierte Muster gedruckt und zu Knochen oder Knorpel differenziert.

In Kooperation mit der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) haben wir bereits dreidimensionale Zellmodelle gedruckt, um die Wechselwirkung von Blutgefäßzellen (Endothelzellen und Stammzellen) zu untersuchen. In einer weiteren Kooperation mit der MHH haben wir Haut gedruckt, die in Mäuse implantiert wurde. Sie wuchs mit der natürlichen Maushaut zusammen und bildete eine dieser Maushaut ähnliche Struktur. Noch fehlen dieser gedruckten Haut viele Funktionen natürlicher Haut, doch weiterentwickelt mit zusätzlichen Zelltypen könnte sie zum Beispiel Tier­­versuche für Kosmetikatests ersetzen.

Weltweit arbeiten inzwischen viele Gruppen daran, 3D-Drucktechnik für die Medizin nutzbar zu machen. Bis zu einem gedruckten Ersatzherz aus lebenden Zellen für Patienten werden allerdings noch Jahrzehnte vergehen. Doch schon jetzt eröffnet das 3D-Drucken vitaler Zellen viele neue spannende Forschungsfelder.

 

Der Autor studierte Mathematik und Physik an der Leibniz Universität Hannover. Von 2003 bis 2007 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover tätig. 2007 promovierte er zum Dr. rer. nat. Ab Juni 2007 wurde Dr. Koch Projektleiter am Laser Zentrum Hannover und übernahm 2011 die Leitung der Gruppe Biofabrikation am Laser Zentrum Hannover.