Organe züchten

Organverpflanzung

Organe züchten

Von Silvio Wenzel und Thomas Schwarz

Die Transplantation von Organen ist heute medizinisches Alltagsgeschäft. Das Einsetzen eines Organs in einen fremden Körper ist beinahe Routine. Und die schweren Abstoßungsreaktionen lassen sich mit Medikamenten unterdrücken.
Doch ein großes Problem können die Mediziner trotz allen Fortschritts nicht beheben: Es gibt zu wenig Organe, die transplantiert werden können. Auch wenn es für manche wie eine Vision von Dr. Frankenstein klingt: Vielleicht wird es in Zukunft möglich sein, menschliche Organe im Labor zu züchten.


Wettlauf mit dem Tod

Das Warten ist lang und quälend, es kann Jahre dauern. Oft genug kommt der Tod früher als der Anruf, der das Ausharren beenden soll. Doch es gibt keine Alternative zum Warten auf ein Spenderorgan. Allein in Deutschland ist dies Alltag für rund 10.000 Menschen. Sie warten auf eine neue Niere, ein neues Herz, eine Leber, Lunge oder Bauchspeicheldrüse.

Im Jahr 2018 konnten in Deutschland immerhin rund 3.100 Organe verpflanzt werden. Dennoch wird klar: Wie überall auf der Welt herrscht auch bei uns ein eklatanter Mangel an Spenderorganen. Fünf bis neun Jahre dauert es durchschnittlich, bis ein Patient eine neue Niere bekommt.

Trotz Organmangels könnte es einen Ausweg geben. Wissenschaftler überall auf der Welt forschen fieberhaft an einer unglaublich klingenden Vision: In Zukunft soll es möglich sein, maßgeschneiderte Organe für jeden Patienten im Labor zu züchten. Vorbei wäre das endlose Warten auf ein Spenderorgan. Und vorbei wäre die Zeit der quälenden Abstoßungsreaktionen, mit denen der Körper auf ein neues Organ reagiert, da die gezüchtete Variante aus den eigenen Zellen des jeweiligen Patienten stammen soll.

Menschliches Organ in Laborglas.

Eine kühne Vision: die Züchtung menschlicher Organe im Labor

Plötzlich beginnt es zu schlagen

Noch liegt ein weiter Weg vor den Forschern. Aber die bisherigen Erfolge sind beachtlich: Wissenschaftlern der University of Minnesota gelang es Anfang 2008, ein pulsierendes, rhythmisch schlagendes Herz zu züchten. "Als wir die ersten Kontraktionen sahen, waren wir sprachlos", sagt einer der beteiligten Wissenschaftler.

Noch ist das gezüchtete Herz nur ein Rattenherz. Und noch schafft es dieses Herz nur auf höchstens fünf Prozent der Leistungsfähigkeit eines gesunden Herzens. Trotzdem verspricht die Methode der Wissenschaftler einen gewaltigen Fortschritt. Denn die Idee dahinter ist faszinierend.

Zunächst brauchen die Forscher ein Spenderorgan. Mit einem speziellen Lösungsmittel waschen sie alle Herzzellen aus dem Organ heraus, bis nur noch ein mattweißes Gerüst übrig bleibt. Dieses Gerüst besteht aus Kohlenhydraten und Proteinen, es ist die sogenannte Matrix. Das Wertvolle daran: In diesem Gerüst bleiben alle Strukturen des Spenderherzens erhalten – Herzkammern, Herzklappen, Blutgefäße.

Im nächsten Schritt impfen die Forscher die Matrix mit frischen Herzzellen einer Ratte. Und tatsächlich: Die frischen Herzzellen wachsen an dem Gerüst fest und bilden so ein neues Herz nach. Nach vier Tagen fängt das Gebilde dann wirklich an zu schlagen. Noch ein paar Tage später ist es kräftig genug, um auch eine Flüssigkeit durch die Blutgefäße zu pumpen.

Die Vision der Wissenschaftler: Eines Tages wollen sie auch menschliche Herzen züchten können. Die Matrix könnten sie aus Schweineherzen gewinnen, denn diese sind fast so groß wie menschliche Herzen. Die Impfung mit Stammzellen des Patienten schließlich ließe dann das neue Organ wachsen. Denkbar ist diese Methode nicht nur für das Herz, sondern auch für alle anderen Organe.

Endlich ohne Tierversuche

"Tissue Engineering" oder "Gewebekonstruktion" nennen die Wissenschaftler ihren Forschungszweig. Denn nicht immer steht die Züchtung transplantierbarer Organe im Fokus. Für die Forschung wären auch gezüchtete menschliche Organe ausgesprochen nützlich, an denen Wissenschaftler die Wirkung von Medikamenten ausprobieren könnten.

Bislang werden neue Wirkstoffe immer erst im Tierversuch getestet. Doch die Ergebnisse lassen sich nur selten auf den Menschen übertragen. Noch seltener lassen sich daraus wirkungsvolle Therapien entwickeln. Gezüchtete menschliche Organe könnten effektivere Medikamententests ermöglichen.

Bei deren Entwicklung gehen die Experten ganz ähnlich vor wie bei der Züchtung des menschlichen Herzens: Zuerst wird ein Stück Schweinedünndarm von seinen Zellen befreit. Anschließend werden zum Beispiel menschliche Leberzellen injiziert. In einem sogenannten Bioreaktor oder Zellgewächshaus können diese dann unter realen Körperbedingungen in aller Ruhe wachsen.

Bis ins kleinste Detail werden in einem solchen Bioreaktor die Verhältnisse im menschlichen Körper simuliert: der Blutdruck ist optimal, der pH-Wert und die Temperatur stimmen exakt. Nach einigen Wochen ist dann ein künstliches Organ entstanden.

In dieses könnten die Wissenschaftler direkt die Medikamente oder Wirkstoffe impfen und ganz genau beobachten, was passiert. Wie schnell wird die Substanz zersetzt? Wann setzt die Wirkung ein? Und welche Nebenprodukte entstehen dabei?

Laborant mit Glasröhrchen

Gezüchtete Organe wären für viele die Rettung

Organe aus dem 3D-Drucker?

Die Visionen des "Tissue Engineering" klingen vielversprechend: aussagekräftige Medikamententests ohne Tierversuche und maßgeschneiderte Ersatzorgane ohne lange Wartezeiten und quälende Abstoßungsreaktionen.

Erste Erfolge dieser immer genauer und individueller werdenden Medizin gibt es schon – dank dreidimensionaler Drucktechnik. So kann der 3-D-Drucker perfekte Teile von der Zahnfüllung bis hin zum Organ liefern. Bereits seit einiger Zeit werden aus speziellen Kunststoffen oder Metallen Zahn-, Hand- oder Beinprothesen und Hörgeräte gedruckt. Auch ein neues Kniegelenk aus dem Drucker ist in einigen Kliniken Deutschlands nicht Ungewöhnliches mehr.

Perfekt auf das Gelenk abgestimmt kommen aus dem Drucker auch gleich die maßgeschneiderten Operationsinstrumente, so dass der Chirurg das neue Gelenk passgenau in den Körper des Patienten einsetzen kann.

Ein Hüftgelenk aus dem 3D-Drucker

Künstliche Gelenke aus dem 3D-Drucker sind kein Problem mehr

Bioprinting: Zellen drucken

Bei der dreidimensionalen Drucktechnik wird das Gelenk des Patienten, der Knochen oder auch ein Abdruck des Ohres durch einen Laser-Scan ausgemessen. Mit Hilfe dieser Daten erstellt der Computer eine dreidimensionale Vorlage, nach der die Druckmaschine schichtweise den Kunststoff oder das geschmolzene Metall in winzigen Kügelchen auf eine Unterlage spritzt. Jede Schicht wird einzeln abgekühlt oder mit einem Laser bestrahlt, um auszuhärten.

Das Drucken menschlicher Zellen ist hingegen nicht so einfach und hat daher den Sprung vom Labor in den klinischen Alltag noch nicht geschafft. Denn dazu ist eine besondere Form des dreidimensionalen Drucks nötig: das Bioprinting.

Dabei züchten Forscher zunächst aus Blut-, Fett- oder anderen Gewebszellen eine große Zahl dieser Zellen und mischen sie anschließend mit einem wässrigen, gelatineartigen Gel. Dieses Gemisch ist dann die Bio-Tinte, die genau wie beim sonst üblichen 3-D-Druckverfahren nach einer Computer-Vorlage auf eine Unterlage gespritzt wird. Dadurch bildet sich schichtweise eine dreidimensionale Struktur aus menschlichen Zellen.

Ein 3D-Drucker erstellt ein Miniherz aus menschlichem Gewebe

Ein Miniherz aus menschlichem Gewebe ist bereits gedruckt worden

Weitere Tests und Studien nötig

Wissenschaftler der Universität im englischen Newcastle haben nach diesem Verfahren bereits eine Hornhaut für das Auge gedruckt. Bis sie implantiert werden kann, wird es aber wohl noch einige Jahre dauern. Denn die Wissenschaftler wollen zunächst erforschen, ob das Auge mit der künstlichen Hornhaut aus Zellen und Gel genauso scharf sehen kann wie mit einer menschlichen, und ob sie sich nicht doch eines Tages auflöst.

Dringend gebraucht werden auch künstliche Herzklappen, die länger halten als die bisher verwendeten Implantate aus Kunststoff, Schweine- oder Rinderherzen. Wissenschaftler der amerikanischen Cornell Universität haben bereits Herzklappen nach menschlichem Vorbild gedruckt. Sie haben auch die Tests im Labor bestanden, die die hohen Drücke und Belastungen für die Herzklappen im Menschen simulieren sollten.

Allerdings stellten die Forscher fest, dass die Klappen aus Bio-Tinte an einigen Stellen nicht so stabil und reißfest sind wie bisherige Implantate. Daher wird es noch dauern, bis die erste Herzklappe aus dem 3-D-Drucker einem Patienten eingesetzt wird.

Stand: 06.05.2019, 12:59

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