Michael Greiner
02.08.2011 | 14:44

Gerüst trifft Zellen

Tissue Engineering Immer öfter verpflanzen Mediziner Organe, die vollständig im Labor gezüchtet wurden. Wird der Mensch bald zur Hälfte ein Retortenwesen sein?

Als der französische Arzt Alexis Carrel den Medizin-Nobelpreis für seine Versuche zur Transplantation von Blutgefäßen erhielt, erregte der damals am Rockefeller Institute tätige Forscher mit einem ganz anderen Thema öffentliches Interesse: Am 2. Mai 1912 berichtete die New York Times, dass es Carrel gelungen sei, Hühnerherzgewebe in einer Laborschale zum Wachstum zu bringen und sogar schlagen zu lassen.

Zurück in Frankreich erlangte Carrel dann zwar eher als Rassist und Eugeniker traurige Berühmtheit, aber seine Arbeiten legten den Grundstein für das, was man heute als Tissue Engineering und oft hartnäckig noch als „Vision“ bezeichnet. Dabei ist die In-vitro-Produktion von Gewebe in manchen Bereichen Realität. Zehn Jahre ist es her, dass erstmals eine im Labor gewachsene Blase verpflanzt wurde. Seit fünf Jahren bewegt sich eine gezüchtete Herzklappe in einer Kinderbrust. Und die Produktion von körpereigenem Haut- und Knorpelgewebe gilt im kleinen Umfang längst als medizinischer Standard. Zwar ist die Herstellung vieler Organe immer noch nicht möglich, doch verzeichnet das Forschungsfeld stetig neue Erfolge.

Zentral im Tissue Engineering sind dabei ganz grundsätzlich zwei Komponenten: die Trägerstruktur des Organs und die körpereigenen Zellen, mit denen die Struktur besiedelt wird. Stammten die Gerüst-Strukturen bislang meist von toten Spendern, aus deren Organen man die Zellen herauswusch, ist es Forschern am Karolinska-Universitätskrankenhaus in Stockholm kürzlich gelungen, erstmals eine menschliche Luftröhre komplett künstlich herzustellen und einem Patienten erfolgreich zu implantieren. Anstatt wie bisher üblich, modellierten die Mediziner das Organ-Gerüst aus Nanomaterialien vollständig selbst. Anschließend wurde der Träger zwei Tage lang mit Stammzellen des Patienten besiedelt, die zuvor aus seinem Knochenmark entnommen worden waren. Sollte die Methode auf die Züchtung weiterer Organe übertragbar sein, dann könnten viele menschliche Organe in Zukunft einfach nach Bedarf hergestellt werden. Spenderorgane wären dann oft gar nicht mehr notwendig.

Haut am laufenden Meter

Ein wichtiges Hindernis für das Tissue Engineering im klinischen Alltag sind allerdings noch immer die Kosten. Bis heute ist jedes Organ eine individuelle Anfertigung im experimentellen Maßstab. Einzige Ausnahme bisher: die Haut. Seit Anfang 2011 produziert eine neue Biotech-Firma in Stuttgart Haut am Fließband. Heike Walles vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik sagt, es sei in Stuttgart erstmals gelungen, eine durchgehende Prozesskette in einer einzigen Anlage zu realisieren. In dem mehrstufigen Prozess werden Hautproben sterilisiert, per Roboter in die Anlage transportiert, zerkleinert und zum Wachsen gebracht. Das Gerüst für die Besiedelung mit Hautzellen besteht aus einem natürlichen Strukturprotein, dem Kollagen. Nach drei Wochen ist die künstliche Haut fertig, und das voll automatisiert und kosteneffektiv. Noch sollen die briefmarkengroßen Hautplättchen nur für Tests von Kosmetika oder Arzneimitteln benutzt werden. Da es sich aber um menschliche Haut handelt, könnten die Erfahrungen aus Stuttgart in Zukunft für die Fließbandproduktion humaner Hauttransplantate genutzt werden.

Im Gegensatz zu Haut oder Knorpel können komplexer strukturierte Organe wie Herz oder Niere bis heute noch nicht gezüchtet werden. Der Grund ist die Beteiligung der verschiedenen Zellarten eines Organs. So müssen sich während der Entwicklung eines Organs Millionen von Stammzellen gezielt spezialisieren, sonst funktioniert das Organ nicht. Unter natürlichen Bedingungen passiert das nach einem vorgegebenen Plan. Die Stammzellen „sprechen“ sich untereinander ab und entwickeln sich dann zum jeweiligen Zelltyp. Die geordnete Absprache unter Laborbedingungen nachzuahmen, ist bisher allerdings noch nicht gelungen.

Ein weiteres Problem stellt die Versorgung der Zellen im gezüchteten Gewebe dar. „Alles, was weiter als 0,1 bis 0,2 Millimeter von einem kapillaren Netzwerk entfernt liegt, wird nicht mehr mit Nährstoffen versorgt“, sagt Julia Frese vom Institut für Angewandte Medizintechnik am Helmholtz-Institut in Aachen. Der Hintergrund: Entwickelt sich ein Organ auf natürliche Weise, so wachsen feinste Blutgefäße direkt in das Gewebe des Organs mit ein. In der künstlichen Gewebezucht ist dies bis heute kaum zu simulieren. Ein besonderes Problem ist die Zeit. „Wir beobachten zwar, dass sich nach der Transplantation kapillare Netzwerke ausbilden, aber dies dauert meist so lange, dass bis dahin ein großer Teile des Gewebes abgestorben ist“, sagt Frese.

Recycelbare Herz-Gerippe

In Bezug auf die Entwicklung von Organ-Gerüsten gehen die Forscher am Aachener Helmholtz-Institut neue Wege. Sie entwerfen ein Gerüst für Blutgefäße, das auf Textilstrukturen basiert und im Körper ohne Rückstände abbaubar ist. Dazu nutzen sie vernetzte Zucker-Polymere. „Je nach dem, wie wir die Polymere gestalten, können wir den Abbau der Strukturen programmieren. Der Abbau kann so nach sechs Monaten oder bereits nach drei Monaten geschehen“, erklärt Julia Frese.


In einem weiteren Verfahren wird ein körpereigenes Protein als Gerüst benutzt, das Fibrinogen. Das Eiweiß ist normalerweise von zentraler Bedeutung für die Blutgerinnung. Es wird daher, wie auch die Zucker-Polymere, nach der Verpflanzung der gezüchteten Gefäße langsam abgebaut und durch körpereigenes Material ersetzt. Wichtig für den Rückbau ist unter anderem ein steter Druckreiz. Dadurch wissen die Zellen, an welchen Stellen sie das künstliche Trägermaterial nach dem Abbau ersetzen müssen. Ein Vorteil der Methode ist laut Frese, dass Abstoßungsreaktionen so gut wie ausgeschlossen sind.

An der Uniklinik in Heidelberg arbeiten Forscher unterdessen daran, ein künstliches Herztransplantat zu entwerfen. In einem weltweit neuartigen Bioreaktor spülen die Forscher Schweineherzen mit einer Speziallösung durch, so lange, bis nur das weiße, durchsichtige Netzwerk aus Proteinen und Kohlehydraten übrig ist. Schweinezellen, die vom Immunsystem des Menschen abgestoßen werden könnten, lassen sich auf diese Weise komplett entfernen. Später soll es dann möglich sein, das hauchfeine Gerüst mit menschlichen Stammzellen zu besiedeln. Bisher weiß das Wissenschaftlerteam um Alexander Weymann aber noch nicht, welche Mechanismen die verschiedenen Zellen an den richtigen Platz im Gewebe des Herzens lotsen.

Ohrmuscheln lassen sich in München dagegen schon seit ein paar Jahren aus eigenem Gewebe rekonsturieren. Was auch Vincent van Gogh vielleicht für einen Fortschritt im Vergleich zu anno 1900 gehalten hätte. Auf jeden Fall aber für eine Vision.