US-amerikanische Forscher an der Stanford University haben die Möglichkeiten für den 3D-Druck von Herzen untersucht. Die Herausforderung ist äußerst komplex, da der schichtweise Aufbau von Zellen nicht so einfach gelingt wie die additive Verarbeitung von Kunststofffilamenten und zusätzlich am Leben erhalten werden müssen. Außerdem weist das Herz eine äußerst komplizierte Struktur auf. Trotzdem zeigen sich die Wissenschaftlicher positiv in naher Zukunft menschliche Herzen mit 3D-Druckern herstellen zu können.

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Logo Stanford UniversityWissenschaftler weltweit forschen an unterschiedlichen Bereichen den 3D-Druck von Organen betreffend. Da gibt es Forscher, die ein Hautäquivalent in 3D drucken. Forscher der Harvard Medical School erreichten eine verbesserte Sauerstoffversorgung bei Organen aus dem 3D-Drucker. Doch der heilige Gral der Organe ist das menschliche Herz. Herzkammern pumpen im perfekten Einklang. Materialien sind biegsam, ziehen sich wenn nötig zusammen. Form und Bewegung arbeiten perfekt aufeinander abgestimmt, um Flüssigkeit effizient durch den ganzen Körper zu drücken.

3D-Biodrucker im Einsatz
Das Team nutzte fortschrittliche 3D-Druck-Techniken und stellte Schicht für Schicht dicke Gewebe her und platzierte genau die Art von Zellen, die an den richtigen Stellen benötigt werden (Bild © Andrew Brodhead).

Das Ganze mittels 3D-Druck nachzubilden ist äußerst komplex und eine Herausforderung. Mark Skylar-Scott, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an den Fakultäten für Ingenieurwissenschaften und Medizin an der Stanford University, möchte mit seiner Forschung Kindern mit Herzerkrankungen helfen.

Er erklärt:

„Die pädiatrische Herzkrankheit ist eine der häufigsten Formen angeborener Geburtsfehler in den USA. Das ist wirklich hart für die Familien. Es gibt Möglichkeiten, das Leben von Kindern durch eine Operation zu verlängern, aber viele Kinder leiden unter Bewegungseinschränkungen und leben ein Leben voller Unsicherheit. Um eine wirklich heilende Lösung zu finden, müssen Sie beschädigtes oder missgebildetes Gewebe irgendwie ersetzen.“

Mit 3D-Druck Herzprobleme beheben

Skylar-Scott erklärt:

„Wenn Sie ein Gerüst haben, das nur wenige Zellen dick ist, können Sie die Zellen an die richtige Stelle bringen. Aber wenn Sie versuchen, etwas zu züchten, das einen Zentimeter dick ist, wird es wirklich schwierig, Zellen an den richtigen Stellen zu säen, um Gewebe zu züchten. Es wird zu einer echten Herausforderung, sie am Leben zu erhalten, ihnen die richtigen Nährstoffe zuzuführen oder sie mit Gefäßen zu versorgen.“

Menschliche Organe bestehen aus komplexen Schichten mehrerer Zelltypen. Das führt zu einer 3D-Struktur, die schwer zu replizieren ist. Doch Zellen sind lebendig, weich, matschig, unvollkommen und zerbrechlich. Muss jede Zelle einzeln platziert werden, kann das Drucken eines Herzens Tausende von Jahren dauern. Selbst bei 1.000 Zellen pro Sekunde würde immer noch viele Milliarden Zellen für ein Organ benötigt werden. Um den Druckprozess zu beschleunigen, druckten die Forscher Organoide bzw. dichte Zellklumpen. Dies gelingt dem Team, indem gentechnisch veränderte Stammzellen in eine Zentrifuge gegeben werden, die eine pastöse Substanz erzeugt. So kann eine große Anzahl Zellen gleichzeitig in eine gallertartige 3D-Struktur gedruckt werden.

Die gedruckten Ergebnisse müssen die Forscher überzeugen, sich in spezifischere Zelltypen zu differenzieren und vielschichtige Cluster funktionierender Zellgruppen zu bilden, die gesundem Organgewebe ähneln. Skylar-Scott badete dazu die Stammzellen in einem chemischen Cocktail.

Er bemerkte:

„Jede Linie von Stammzellen, die wir entwickeln, ist gentechnisch so verändert, dass sie auf ein bestimmtes Medikament anspricht. Sobald sie dieses Medikament spüren, differenzieren sie sich in bestimmte Zelltypen.“

Tests mit Bioreaktor

Skylar-Scott testete seine gedruckten Gewebe in einem Bioreaktor, der hilft, die gedruckten Zellen am Leben zu erhalten. Es gelang, die organähnliche Struktur zu züchten: eine Röhre mit einer Länge von etwa 2 Zoll und einem Durchmesser von einem halben Zentimeter. Das winzige Gerät könnte selbst pumpen, sich zusammenziehen und ausdehnen, um Flüssigkeit durch sich selbst wie eine Vene zu bewegen. Diese Entwicklung könnte Patienten mit nur einem einzigen Ventrikel helfen. Es könnte als biologisches Pumpgerät fungieren, um das Blut zum und vom Herzen zu transportieren. Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg.

Er sagt:

„Im Moment dauert es einen Monat, bis genügend Zellen wachsen, um etwas Winziges zu drucken. Es ist außerdem extrem teuer – jeder Test kostet Zehntausende von Dollar. Wir müssen Wege finden, Zellen so zu konstruieren, dass sie robuster und kostengünstiger zu züchten sind, damit wir anfangen können, diese Methode zu üben und zu perfektionieren. Sobald die Pipeline für neue Zellen eingerichtet ist, werden wir meiner Meinung nach einige unglaubliche Fortschritte sehen.“

Video zur Forschungsarbeit an der Stanford University

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