Forschende der Stanford University wollen funktionsfähiges menschliches Herz drucken

Die Entwicklungen im Bereich des 3D-Drucks von lebendem Gewebe, auch Bioprinting genannt, lassen die Vision, komplette Organe neu zu erschaffen und zu transplantieren, immer realistischer erscheinen. Ein interdisziplinäres Forscherteam der renommierten Stanford University plant, innerhalb der nächsten fünf Jahre ein vollständig funktionsfähiges menschliches Herz mittels Bioprinting zu erzeugen und dieses in ein Schwein zu transplantieren. Eine der Herausforderungen besteht darin, den Sprung in den Maßstab zu schaffen, denn bisher konnten nur kleine Herzen mit lebendem Gewebe gedruckt werden. Voll funktionsfähig war bislang auch noch kein gedrucktes Herz.

Von der Vision zur Wirklichkeit

Die Idee, individuell angepasste menschliche Organe wie Leber, Lunge, Niere, Gehirn und sogar das Herz für Patienten herzustellen, war lange lediglich ein Traum der modernen Medizin. Doch dank neuester Fortschritte in der Stammzellforschung, der Zellproduktion und dem 3D-Bioprinting rückt diese Vision nun immer näher in den Bereich des Möglichen.

„Es handelt sich um ein wahrhaft gigantisches Unterfangen, aber die Grundvoraussetzungen für das Bioprinting eines vollständigen und komplexen menschlichen Organs sind nun gegeben“, so Mark Skylar-Scott, Assistenzprofessor für Bioengineering an den Fakultäten für Ingenieurwissenschaften und Medizin, Mitglied des Stanford Cardiovascular Institute und leitender Forscher des Projekts.

Bioprinting ist eine 3D-Drucktechnologie, die statt Kunststoff oder Metall lebende Zellen verwendet. Laut Skylar-Scott ist der bedeutendste Fortschritt in diesem Bereich, dass es nun möglich ist, sowohl Zellen als auch Blutgefäße in das Gewebe zu integrieren. „Mit den Blutgefäßen können wir große und dicke Gewebe herstellen, die implantiert werden können und überleben“, so Skylar-Scott. „Damit beginnt die Ära der Biofabrikation von Organen“.

Bisher gab es nur Herzen im Miniformat

2019 gelang es israelischen Wissenschaftlern, ein Herz mittels 3D-Druck zu erstellen, das vollständig aus menschlichem Gewebe bestand und essenzielle Strukturen wie Blutgefäße aufwies. Obwohl dieses gedruckte Herz im Vergleich zu einem Menschenherz kleiner war und noch nicht koordiniert schlagen konnte, war ihre Methode besonders.

Sie nutzten ein Hydrogel, das aus biologischem Material des Zellspenders stammte. Somit bestand die organähnliche Struktur fast ausschließlich aus menschlichem Gewebe. Die Forschenden der Stanford University wollen das gedruckte Herz nun skalieren und voll funktionsfähig machen, statt Hasenherz nun Menschenherz sozusagen.

So soll der Sprung in den Maßstab gelingen

Die Fortschritte im Bioprinting werden durch rasante Entwicklungen in der Zellproduktion ergänzt. Statt der traditionellen Petrischalen können moderne Reaktoren Milliarden von herzspezifischen Zellen gleichzeitig produzieren, die als ‚Tinte‘ für den Bioprinter dienen. Skylar-Scott erklärt: „Wir setzen auf eine automatisierte Sammlung von Bioreaktoren, um die verschiedenen Herz-Zelltypen zu produzieren.“

Dieses System generiert Milliarden von spezialisierten Herzzellen, einschließlich der für das Pumpen verantwortlichen ventrikulären und atrialen Kardiomyozyten, Erregungszellen wie die Purkinje-Fasern, Schrittmacherzellen sowie Muskelzellen und Makrophagen zur Unterstützung der Gewebeentwicklung. Nicht zu vergessen sind die lebenserhaltenden Endothelzellen der Blutgefäße. Skylar-Scott geht davon aus, dass sein Team alle zwei Wochen genug Zellen für ein ganzes Herz produzieren kann.

„Wir werden diese immense Zellmenge verwenden, um kontinuierlich zu üben, die Struktur des Herzens zu perfektionieren und seine Funktionalität zu optimieren, mit dem Ziel, es letztlich in ein Schwein zu transplantieren“, betont Skylar-Scott. Dieses biologisch gedruckte Herz soll in ein Schwein mit Immundefekt eingepflanzt werden, um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden. Das Team setzt dabei auf patientenspezifische Stammzellen, die bei einer Transplantation in denselben Patienten die Notwendigkeit einer Immunsuppression ausschließen. „Ein Herz, geschaffen aus den eigenen Zellen – das ist unsere Vision“, schließt Skylar-Scott.

Perfekt designte Organe sind noch Jahrzehnte entfernt

Das aktuelle Projekt weckt die Erwartung, dass zukünftige Biofabrikationsverfahren Herzen, Lungen, Lebern und andere Organe produzieren könnten, die für den Einsatz bei kranken Menschen bestimmt sind. Jedes dieser biogedruckten Organe wäre genetisch perfekt auf seinen Empfänger abgestimmt.

Skylar-Scott sieht diese Entwicklung als zukunftsträchtig, betont jedoch, dass die vollständige Umsetzung wahrscheinlich noch Jahrzehnte entfernt ist. Trotzdem dient die Bioprinting-Initiative als wertvoller Beweis des Konzepts, der die Kommerzialisierung und Weiterentwicklung des Organ-Engineerings vorantreiben könnte.