Ein Herz aus dem Drucker? Kein rotes Symbol auf Papier, sondern eins, das dem menschlichen Organ gleicht und funktioniert? Die Vorstellung klingt ein bisschen nach Utopie. Aber Forscher der Carnegie Mellon University shaben sich einen weiteren Schritt darauf zu bewegt. Mithilfe eines 3D-Druckers haben sie nach eigenen Angaben eine Herzkammer mit Herzklappe geschaffen, die sich eigenständig zusammenzieht.
Beim Menschen können sie allerdings noch nicht eingesetzt werden. Trotzdem: „Wir haben gezeigt, dass wir aus Zellen und Kollagen Teile des Herzens drucken können, die tatsächlich funktionieren, etwa eine Herzklappe oder eine kleine schlagende Herzkammer“, sagt Forschungsleiter Adam Feinberg.
Kollagen gedruckt
©nobeastsofierce/stock.adobe.com
Für die Forschung haben Feinberg und seine Kollegen MRT-Daten des menschlichen Herzens und patientenspezifische Struktur ausgewertet und haben versucht, es möglichst getreu und natürlich zu reproduzieren. Die Herausforderung, der sich die Wissenschaftler dabei besonders gestellt haben, war das Kollagen, das im Grunde Bestandteil von jedem menschlichen Gewebe ist. Diese Strukturproteine stecken in den weißen, unelastischen Fasern von Sehnen, Bändern, Knochen und Knorpeln. Auch Schichten der Haut bestehen aus Kollagenen.
Das Problem: ein flüssiges Ausgangsmaterial
Für die Forscher ist es deshalb ein wichtiges Biomaterial für den 3D-Druck. Das Problem dabei: die flüssige Ausgangsform des Materials. „Wenn man es versucht, unter normalen Bedingungen zu drucken, bleibt nur eine Pfütze. Wir haben also eine Technik entwickelt, die verhindert, dass sich das Ergebnis verformt“, erläutert Andrew Hudson, Co-Erstautor der Arbeit.
Das FRESH-Verfahren
Die besagte Technik nennt sich FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels). Dieses 3D-Bioprinting-Verfahren ermöglicht, das Kollagen Schicht für Schicht in einem unterstützenden Gelbad abzulagern, so dass es erstarren kann, bevor es aus dem Trägerbad entfernt wird. Das stützende Gel lässt sich mit Hilfe des FRESH-Verfahrens leicht abschmelzen, wenn das Gel nach Fertigstellung des Drucks von Raumtemperatur auf Körpertemperatur erwärmt wird. Die Forscher können auf diese Weise das tragende Gel entfernen, ohne die gedruckte Kollagen- oder Zellstruktur zu beschädigen.
Nicht auf Kollagen beschränkt
©scharfsinn86/stock.adobe.com
Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass ihr Verfahren spannend ist, weil so Kollagengerüste im großen Maßstab für menschliche Organe druckbar sind. Es ist zudem nicht auf Kollagen beschränkt, da sich mit der Technik eine Vielzahl von weiteren Gelen, darunter Fibrin, Alginat. Ihre Ergebnisse haben die Forscher übrigens im Open-Source-Designs entwickelt. Das heißt, dass nahezu jeder Anwender, vom medizinischen Labor bis zum naturwissenschaftlichen Gymnasium, kostengünstige hochleistungsfähige 3D-Biodrucke erstellen kann.
Feinberg und sein Team wissen, dass es noch jahrelanger Forschung auf dem Gebiet bedarf, aber sie sind ein ganzes Stück weitergekommen.