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Medizin der Zukunft: Organe aus dem Bio-Printer?

Es klingt nach Science-Fiction, nicht mehr funktionsfähige Organe werden durch Neue aus dem 3D-Drucker ersetzt. Doch was für viele Menschen unvorstellbar scheint, ist von der Realität nicht mehr so weit entfernt. Ärzte bedienen sich der Technik des 3D-Druckens um lebensechte Modelle und passgenaue Prothesen zu konstruieren. Forscher arbeiten an der Weiterentwicklung von sogenannten Bio-Printern, die mittels 3D-Druckverfahren Organe und Gewebestücke aus Stammzellen herstellen können.

Der 3D-Druck

Die Technologie des 3D-Drucks ist eine der großen Innovationen des 21. Jahrhunderts. Obwohl bereits vor über 20 Jahren das erste Patent für das „additive Manufacturing" eingereicht wurde, konnte sich die Technik erst in den letzten fünf Jahren international behaupten. Durch das additive Verfahren, bei dem Schicht um Schicht neue Gegenstände aus Metall, Keramik, Plastik, Glas oder auch Stammzellen auf eine Trägerfläche aufgedruckt werden, ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Wissenschaft und Technik, Medizin, Mode- und Baubranche. Im Gegensatz zur bisher gängigen subtraktiven Produktion, bei der Gegenstände aus einem Block gefräst oder gesägt wurden, können so völlig neue Formen geschaffen werden. Die neue Herstellungsmethode ermöglicht es, durch punktgenaues Aufdrucken, nur so viel Rohstoff wie gerade notwendig zu verbrauchen. Auch die globale Wirtschaft könnte sich durch die Verbreitung von 3D-Druckern völlig verändern – Produkte müssten nicht mehr importiert, sondern könnten vor Ort einfach ausgedruckt werden.

3D-Druck und Medizin: Prothesen und Implantate aus Metall und Kunststoff

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks eröffnen für die medizinische Branche unzählige interessante Perspektiven. Der 3D-Druck wird zur Herstellung von patientenspezifischen Prothesen, maßgefertigten Zahnkronen und Hörgeräten eingesetzt.

Erst kürzlich wurde einer 83-jährigen Patientin ein kompletter Unterkiefer aus dem 3D-Drucker eingesetzt. Die Atem- und Schluckfunktion der Frau war nach einer langanhaltenden Infektion stark eingeschränkt, so dass der Unterkiefer entfernt werden musste. Dank eines individuellen Implantats aus Titan, das von einem interdisziplinären Spezialistenteam am Computer entworfen und innerhalb weniger Stunden gedruckt wurde, konnte auf eine langwierige mikrochirurgische Rekonstruktion verzichtet werden und die Funktion des Unterkiefers wieder hergestellt werden.

Ein besonders spektakuläres Beispiel für den 3D-Druck in der Medizin bietet ein Luftröhrenimplantat für Babys mit geschwächten Bronchien aus den USA. Das schlauchförmige Implantat wird anhand von Bildern aus dem Computertomographen (CT)  individuell gefertigt, um die Atemwege gelegt und hält den kollabierten Bereich offen. Die gedruckte Luftröhrenschiene aus pulverisiertem Plastik kann durch Ausdehnung bis zu drei Jahre mitwachsen und löst sich danach einfach auf. Normalerweise sind die Bronchien dann so stabil, dass keine weiteren Maßnahmen nötig sind. Damit ist nur mehr eine einzige Operation, statt vielen gefährlichen Eingriffen notwendig.

Einsatz findet der 3D-Druck auch bei der Herstellung von lebensechten Organmodellen, die mittels CT-Bildern aus Acrylharz angefertigt werden. Dadurch kann bereits im Vorfeld einer Operation der genaue Sitz eines Tumors oder der Verlauf eines wichtigen Blutgefäßes bestimmt und so ein gefährlicher Eingriff am Modell geübt werden. So konnten u.a. eine komplexe Herz-Operation und die Trennung von siamesischen Zwillingen mittels genauer Planung und Vorbereitung am Modell erfolgreich ausgeführt werden.

Forschung und Entwicklungsmöglichkeiten: Bio-Printing und Tissue Engineering

Die Forschung geht noch einen Schritt weiter und konzentriert sich auf die künstliche Herstellung von biologischem Gewebe, dem sogenannten Tissue Engineering. Gewebestücke oder Organe werden dabei mit einem Bio-Printer innerhalb weniger Stunden aus körpereigenen Stammzellen und einer Nährsubstanz Zelle für Zelle exakt aufgedruckt. Als Trägersubstanz dient ein Kunststoffgel auf Wasserbasis, das später einfach abgewaschen werden kann. Schichtweise werden so Trägersubstanz und die Stammzellen-Nährsubstanz-Mischung auf einer genau vorberechneten Matrix aufgetragen. Danach müssen die Organstücke noch einige Wochen, in einer Nährlösung gelagert, zusammenwachsen. Der Druck der Organe muss schnell erfolgen, um die Lebensfähigkeit der Stammzellen zu erhalten. Durch die Verwendung von eigenen Stammzellen, wird das neue Organ nicht als Fremdkörper angesehen und es müssen weniger Immunregulatoren verordnet werden. Soweit die Theorie, doch bis es gelingt ganze lebensfähige Organe zu drucken, werden laut Einschätzung von Experten noch mindestens 20 Jahre vergehen.

Dem US-Unternehmen Organovo gelang es bereits kleine Stücke einer funktionsfähigen Leber zu drucken. Die Leberstücke blieben 135 Stunden stabil und konnten leber-typische Stoffwechselprodukte wie Albumin und Cholesterin produzieren. Derzeit können die gedruckten Organe noch nicht verpflanzt werden, aber sie erfüllen andere medizinische Zwecke z.B. in der Erforschung von Krankheiten. Auch andere Gewebestücke wie Lunge, Muskel, Herz, Nerven, Blutgefäße und Knochen wurden schon gedruckt und sollen in den kommenden Jahren für die Verpflanzung weiterentwickelt werden. Vor allem der komplexe Aufbau der Organe, die samt Versorgungssystem aus Blutgefäßen gedruckt werden müssen, stellt die Forscher vor eine große Herausforderung.

In Tokio wird bereits an einer neuen Generation von Bio-Printern gearbeitet, die Knochen-, Knorpel- und Hautimplantate produzieren sollen. So sollen z.B. maßgefertigte Hüftgelenke und Knorpel entstehen, die möglichst schnell mit dem körpereigenen Gewebe verwachsen. Als Ausgangsmaterial dienen auch hier Stammzellen, künstliche Proteine, die das Wachstum fördern und chemische Substanzen, die Ähnlichkeiten mit menschlichem Kollagen aufweisen. Durch die Technik des 3D-Druck soll es möglich werden, die spezifische Struktur des Knochens (harte Oberfläche, schwammähnliches Inneres) zu reproduzieren.

Der 3D-Druck befindet sich noch in der Anfangsphase und leistet jetzt schon einen bedeutenden Beitrag zum medizinischen Fortschritt. Operationen können im Vorfeld erprobt, Implantate passgenau gefertigt und medizinische Test an gedrucktem, menschlichen Gewebe absolviert werden. Zukünftig wird der 3D-Druck die Medizin revolutionieren und vielleicht die Praxis der Organtransplantationen wesentlich verändern.

 

Quellen: APA, Die Welt, Der Standard, Focus, Kurier, TT.

 

Weitere Informationen

BBC - 3D windpipe 'saves children's lives': http://www.bbc.com/news/health-32496547

Welt - 3-D-Druck leitet dritte industrielle Revolution ein: http://www.welt.de/wirtschaft/article128614810/3-D-Druck-leitet-dritte-industrielle-Revolution-ein.html