Additive Verfahren beflügeln die Medizin Medizinischer 3D-Druck mit Herz

Valentinstag ist der Tag der klopfenden, aber auch der gebrochenen Herzen. Wie schön wäre es, wenn es eine Medizin gegen gebrochene Herzen gäbe? Oder wenn Ärzte die Möglichkeit hätten, ernsthafte erkrankte Herzen gegen ein gesundes Ebenbild auszutauschen?
An genau dieser Idee arbeitet das Start-up Biolife4D in den USA.

Im Labor des Unternehmens sollen Herzzellen gezüchtet und in der Form des Organs des Patienten zusammengebaut werden. So entsteht ein patienten-spezifisches, voll funktionsfähiges Herz, mit dem Patienten bei einer Transplantation eine höhere Erfolgschance haben als bei einer herkömmlichen Transplantation.

Herzen aus dem 3D-Drucker

Um seine Vision in die Realität umzusetzen, will das Biotech-Startup den 3D-Druck nutzen und den Prozess für den Druck menschlicher Herzen perfektionieren. Das Verfahren kombiniert mehrere Schritte, die von verschiedenen Forschern in Universitätslabors entwickelt wurden.

Zuerst wird das Herz eines Patienten mit einem MRT-Gerät gescannt, um ein digitales Bild der Form und Größe des Herzens zu erstellen. Als nächstes nehmen die Ärzte eine Blutprobe. Mit Hilfe von modernen Verfahren werden die Blutzellen in Stammzellen umgewandelt – und dann ein zweites Mal in Herzzellen umgewandelt. Diese neuen Herzzellen werden anschließend mit Nährstoffen in einem Hydrogel zu einer „Bio-Tinte“ kombiniert, die dann in einem spezialisierten 3D-Drucker verwendet werden kann.

Ein biologisch abbaubares Gerüst hält alles an Ort und Stelle, damit die Zellen in die exakte Form des ursprünglichen Herzens des Patienten gebracht werden können. Um das neue Herz zu stärken, wird es in einen Bioreaktor gebracht.

Herzzellen finden automatisch zueinander

Das Erstaunliche bei Herzzellen, die auf diese Weise erschaffen werden, ist, dass diese beginnen, sich außerhalb des Körpers selbst zusammenzusetzen. Wenn das Herz stark genug ist, kann das Gerüst um die Zellen herum mit Hilfe erhöhter geschmolzen werden. Das neue Herz hat die exakte Größe des ursprünglichen Herzens eines Patienten und besteht aus den eigenen Zellen des Patienten. Deshalb hat es eine größere Erfolgschance als ein herkömmliches Transplantat. Organe, die auf diese Weise erzeugt werden, könnten auch ein weiteres Problem lösen: Derzeit stehen nur wenige Herzen für eine Transplantation zur Verfügung.

Das Team von Biolife4D wird allerdings noch einige Hürden überwinden müssen. So ist es nach wie vor schwierig, winzige Blutgefäße in den neuen Herzen zu erzeugen. Um die Technologie voranzubringen, wird das Start-up Mini-Herzen für pharmazeutische Firmen herstellen, die damit dann neue Medikamente testen können.

Niederländer erforschen 3D-Strukturen mit lebenden Zellen

Auch in den Niederlanden experimentieren Forscher mit den Möglichkeiten, die der 3D-Druck für den Umgang mit lebenden Zellen bietet. Mit einer neuen Technik, die sie „In-Air-Mikrofluidik“ nennen, gelingt es den Wissenschaftlern der Universität Twente, 3D-Strukturen mit lebenden Zellen zu drucken. Diese spezielle Technik ermöglicht die schnelle und on-the-fly-Herstellung von Mikrobausteinen, die lebensfähig sind und etwa zur Reparatur von beschädigtem Gewebe eingesetzt werden können.

In der Mikrofluidik geht es darum, winzige Flüssigkeitstropfen mit Größen zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter zu manipulieren. Meistens werden dafür Chips mit winzigen Strömungskanälen, Reaktoren und andere Komponenten verwendet: Lab-on-a-Chip-Systeme. Obwohl diese Chips ein breites Spektrum an Möglichkeiten bieten, beispielsweise bei der Herstellung von Emulsionen – Tröpfchen mit einer anderen Substanz – liegt die Geschwindigkeit, mit der Tröpfchen den Chip verlassen, typischerweise im Mikroliter pro Minute-Bereich. Für klinische und industrielle Anwendungen ist dies nicht schnell genug: Ein Volumen von einem Kubikzentimeter zu füllen, würde etwa 1.000 Minuten oder 17 Stunden dauern. Die Technik, die jetzt vorgestellt wird, macht dies in ein paar Minuten.

Die Forscher stellten sich die Frage, ob sie höhere Geschwindigkeiten erreichen können, indem sie die Fluide nicht in Mikrokanälen manipulieren, sondern in Luft. Tatsächlich war es unter Einsatz von zwei Düsen mit Flüssigkeit möglich. Von einem Strahl werden Tröpfchen auf den anderen Strahl geschossen. Die Herstellung der Düsen ist relativ einfach und sie bewegen sich 100 bis 1.000-mal schneller als Tröpfchen aus einem Mikrochip.

Geschwindigkeit ist aber nicht der einzige Vorteil: Werden Düsen mit verschiedenen Flüssigkeiten genutzt, die reagieren, entstehen durch die Kollision neue Materialien. Die intelligente Kombination von Flüssigkeiten ergeben feste und bedruckbare Bausteine in einem einzigen Schritt.

Vielversprechendes Verfahren

Auf diese Weise ist es möglich, eine lebende Zelle in druckfähigem Material einzufangen. Die so entstandenen Bio-Bausteine werden in einer 3D-Struktur gedruckt, die wie ein Schwamm aussieht, mit Zellen und Flüssigkeit gefüllt. Diese modularen 3D-Biomaterialien haben eine innere Struktur, die derjenigen des natürlichen Gewebes sehr ähnlich ist.

Viele 3D-Drucktechniken basieren auf der Verwendung von Wärme oder UV-Licht: beides würde lebende Zellen schädigen. Der neue mikrofluidische Ansatz ist daher ein vielversprechendes Verfahren im Tissue Engineering, bei dem geschädigtes Gewebe mit Hilfe von kultiviertem Zellmaterial des Patienten repariert wird.