Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Stanford University haben einem Bericht der Universität zu Folge eine neue Methode zur Modellierung und zum 3D-Druck komplexer Gefäßsysteme entwickelt, um ein zentrales Hindernis bei der Herstellung transplantierbarer Organe aus patienteneigenen Zellen zu überwinden. Die Erkenntnisse wurden am 12. Juni 2025 in der Fachzeitschrift „Science“ unter dem Titel „Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing“ veröffentlicht.
Effizientere Algorithmen für vaskuläre Netzwerke
Ein zentrales Problem beim 3D-Druck ganzer Organe besteht darin, deren feine Blutgefäße so zu gestalten, dass jede einzelne Zelle mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Besonders in energieintensiven Organen wie dem Herzen, wo pro Kubikmillimeter über 2.500 Kapillaren erforderlich sind, ist die präzise Planung der Blutgefäße unerlässlich. Das Stanford-Team unter Leitung von Prof. Alison Marsden hat einen Algorithmus entwickelt, der realitätsnahe vaskuläre Strukturen rund 200-mal schneller als bisherige Methoden generieren kann – inklusive Verzweigungen, die in realen Organen vorkommen.
Die Algorithmen basieren auf Strömungssimulationen und berücksichtigen dabei die Blutverteilung sowie mögliche Kollisionen innerhalb des Gefäßbaums. Mit dieser Software ist es möglich, maßgeschneiderte Designs für unterschiedlichste Organformen zu erstellen. Die entwickelte Plattform ist über das Open-Source-Projekt „SimVascular“ öffentlich zugänglich.
Bioprinting erster komplexer Modelle gelungen
Zwar sind aktuelle 3D-Biodrucker noch nicht in der Lage, die komplette Feinstruktur eines menschlichen Herzens zu drucken, doch erste Prototypen zeigen vielversprechende Ergebnisse. Die Forschenden konnten eine Gefäßstruktur mit über 500 Verzweigungen drucken und testeten ein einfacheres Modell mit 25 Kanälen, durch das ein nährstoff- und sauerstoffhaltiges Medium gepumpt wurde. Dieses Experiment zeigte, dass die gedruckte Struktur in der Lage ist, angrenzende Zellen am Leben zu erhalten.
„Wir konnten zeigen, dass diese Gefäße designt und gedruckt werden können – und dass sie Zellen tatsächlich am Leben erhalten“, erklärt Mark Skylar-Scott, Professor für Bioengineering und Mitautor der Studie.
Auf dem Weg zum 3D-gedruckten Herzen
Trotz der Fortschritte betonen die Forschenden, dass es sich bei den bisherigen Gefäßstrukturen noch nicht um funktionale Blutgefäße handelt. Es fehlen noch wichtige Zelltypen wie Endothelzellen oder Muskelzellen. Parallel zur Weiterentwicklung der Drucktechnologie arbeitet das Team daran, das Wachstum der kleinsten Kapillaren durch biologische Selbstorganisationsprozesse zu fördern.
Laut Skylar-Scott wurde inzwischen eine ausreichende Menge an Herzmuskelzellen aus Stammzellen generiert, um ein komplettes Herz zu drucken. Die nächsten Schritte bestehen nun darin, Zellen und Gefäßnetzwerk im Organmaßstab miteinander zu kombinieren.
Mit dieser Forschung geht das Team einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zur additiven Fertigung transplantierbarer Organe. Besonders im Hinblick auf die weltweit hohen Zahlen an Patienten auf Wartelisten für Organspenden könnten solche Technologien zukünftig Leben retten – und die Abstoßungsgefahr durch patienteneigene Zellen minimieren.
