bioprinting of tissues and organs

Menschliche Haut aus dem 3D Drucker – die Wundbehandlung der Zukunft?

Was sich erst einmal nach Science-Fiktion anhört, ist für einige Wissenschaftler nicht mehr so weit hergeholt.
3D Drucker gibt es fast schon seit 30 Jahren, doch die Verwendung in der Medizin stellt eine absolute Revolution dar und eröffnet ganz neue Möglichkeiten. So ist es mittlerweile keine Utopie mehr sich vorzustellen Knorpel, Sehnen, Haut und auch andere Organe mit dem 3D-Drucker herzustellen.
Zwar ist man bisher erst am Anfang und die Hürden sind hoch, jedoch beschäftigen sich mittlerweile über 30 Wissenschaftlerteams weltweit diese Technologie voranzutreiben. Doch was steht genau dahinter?

Wie ist unsere Haut aufgebaut?

Um zu verstehen, wie Haut gedruckt werden kann, ist es wichtig sich deren Anatomie bewusst zu sein. Nur so können möglichst realistisch aussehende Haut-Konstrukte hergestellt werden.
Die Haut ist nicht nur unser größtes, sondern auch unser schwerstes Organ mit unzähligen Funktionen. Je nach Größe des Menschen kann die Haut 3,5 – 10 kg schwer werden bei einer Fläche von ca. 1,70 m2 und ist, je nach Beschaffenheit und Region, 1,5 bis 4,0 mm dick.
Darüber hinaus kann man sie in 3 Schichten unterteilen:

– Epidermis:
auch Oberhaut genannt ist unser Schutzschild gegen Hitze, Austrocknung und andere schädliche Einflüsse. Sie enthält die Melanozyten, die das Hautpigment Melanin produzieren und unserer Haut ihre Farbe geben.

– Dermis:
auch Lederhaut genannt ist für die Temperaturregelung verantwortlich und enthält wichtige Strukturen wie die Haarfollikel, Talgdrüsen, Nerven und Lymphgefäße. Darüber hinaus besteht sie größtenteils aus Kollagen und Elastin, wodurch sie elastisch und robust gegenüber Druck- und Scherkräften ist.

– Subkutis:
auch Unterhaut genannt enthält das Fettgewebe, aber auch Nerven und Blutgefäße. Außerdem dient sie als Wärme- und Energiespeicher und dient als Verschiebeschutz zwischen den oberen Hautschichten und den darunterliegenden Strukturen (z.B. Bindegewebe, Muskeln).

die verschiedenen Schichten der Haut

Die Technologie dahinter

Beim Drucken lebender, funktionsfähiger Haut ist es sehr wichtig eine Bio-Tinte herzustellen, die biokompatibel ist, sprich gut körperverträglich ist.
Das Material für die Bio-Tinte besteht dabei auch einem Gemisch von Hydrogel, patienteneigenen Fibroblasten und Keratinozyten.
Keratinozyten sind hornbildende Zellen, die sich in der obersten Hautschicht (Epidermis) ansiedeln.
Fibroblasten sind die Produktionsstätte des Kollagens und produzieren das Gewebe, das sich zwischen den einzelnen Zellen befindet. Darüber hinaus spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Wundheilung.
Und die dritte Substanz, das Hydrogel bildet das Gerüst, in dem sich die Zellen und weitere biologische Komponenten befinden. Dieses Bio-Gel wird meistens aus Polymeren wie beispielsweise Alginsäure gewonnen oder auch aus Polymeren, die aus Seegras extrahiert werden können. Diese sind klinisch erprobt und werden vom Körper in der Regel gut vertragen.
Solche Polymere werden dann mit den Zellen, gereinigtem Wasser und weiteren biologischen Bestandteilen vermischt und zu einer Gelée-artigen Substanz verarbeitet.
Zusätzlich muss ein Drucker entwickelt werden, der schonend mit den Zellen in der Bio-Tinte umgeht, sodass diese nicht vorzeitig absterben.

Anwendung in der Medizin

Forscher der Züricher Hochschule für angewandte Wissenschaften haben sich intensiv mit dem 3D-Druck von Hautgewebe beschäftigt und haben es mit Hilfe eines speziellen Bio-Druckers geschafft Haut Konstrukte serienreif drucken zu können. Das Hautgewebe ist zwar leider noch nicht für die Verwendung an Menschen einsatzbereit, erfreut sich aber großer Beliebtheit in der Pharma- und Kosmetikindustrie, da man unter anderem Cremes und Medikamente auf Verträglichkeit und unerwünschten Nebenwirkungen testen kann.

Forscher aus Singapur sind hier schon einen Schritt weitergegangen und haben bewiesen, dass es möglich ist sogar pigmentierte Haut mit einem Bio-Printer herzustellen.
Dabei wendeten sie die 2-Schritt-Bioprinting-Strategie an, bei der die verschiedenen Hautzellen präzise auf den biomimetischen Hautkonstrukten verteilt werden.
Dabei wird zuerst eine Dermis-ähnliche Hautschicht auf Kollagenbasis hergestellt, auf der anschließend Hautzellen wie die Fibroblasten, Keratinozyten aber auch Melanozyten gezielt aufgetragen werden.
Durch die gezielte und kontrollierte Positionierung der Zellen ist es den Wissenschaftlern nämlich möglich, eine möglichst echt wirkende Haut herzustellen, die auch pigmentbildende Zellen, die Melanozyten, enthält. Diese Zellen produzieren das Melanin und geben unserer Haut ihre Farbe.
Den asiatischen Forscher war es ein großes Anliegen Hauttransplantate zu kreieren, die nicht nur einen medizinischen Zweck erfüllen, sondern auch ins ästhetische Bild passen und so den Patienten helfen psychisch besser damit umgehen zu können.

Wissenschaftler forschen im Labor

Mit der Behandlung von schweren Wunden und Verbrennungen hat sich auch eine wissenschaftliche Arbeitsgruppe des Wake Forest Institute für regenerative Medizin (WFRIM) beschäftigt und hat es geschafft einen Bio-Printer zu entwickeln, der Haut Konstrukte direkt auf die Wunde drucken kann.
Dieser 3D-Drucker besteht dabei aus drei Komponenten:
Der Bio-Tinte, dem 3D-Drucker und einem Computer, der den 3D-Drucker anleitet und überwacht.
Der Vorteil dieser einzigartigen Technologie ist zum einen, dass durch den Scanner der 3D-Printer genau weiß, wo er die Zellen drucken muss bzw. wo sie besonders für die Wundheilung gebraucht werden. Zum anderen ermöglicht sie die normale Hautstruktur weitestgehend nachzubilden.
Dieser Drucker wurde bislang nur an Mäusen angewendet und die Forscher müssten nun die Behandlung am Menschen in Rahmen einer klinischen Studie testen.
Zwar stehen diese Behandlungsmöglichkeit noch am Anfang, jedoch hat sie meiner Meinung nach das Potential, die Therapie und Heilung von Verbrennungen und anderen Wundarten erheblich zu erleichtern und zu verbessern.

Prognose

Das Haut-Drucken möglich ist, haben diese Wissenschaftler mittlerweile erfolgreich bewiesen und einige von Ihnen fokussieren sich schon darauf weitere Gewebestrukturen wie Blutgefäße, Herzklappen oder Luftröhren künstlich herstellen zu können.
In China gehen Wissenschaftler sogar noch einen Schritt weiter und versuchen ganze Organe mit Hilfe des 3D-Printers zu drucken. Werden zukünftig Herz, Leber oder Niere aus dem Drucker implantiert?
Andere Wissenschaftler zeigen sich demgegenüber eher skeptisch, denn bislang gebe es noch keinen künstlichen Organersatz, der unsere Organe vollständig ersetzen kann, zumal diese Organe nicht lebensfähig wären.
In einem anderen Projekt arbeiten Wissenschaftler intensiv daran eine Niere mit all den feinen Blutgefäßen, Nerven und Nierenröhrchen (Tubuli) drucken zu können, die sie für ihre Funktion und ihr Überleben bräuchte. Das Herz dagegen besteht aus 100 Milliarden Zellen, die miteinander kommunizieren und als Einheit agieren. In eine Petrischale passen jedoch nur fünf Millionen Zellen, weshalb dieser Bereich zwar noch intensiver Forschung bedarf, jedoch befinden wir uns auf einem guten Weg. So haben es Forscher aus Tel Aviv geschafft ein vollständiges Herz zu drucken, das ausschließlich aus menschlichem Gewebe besteht. Zwar ist es bisher noch zu klein und kann noch nicht schlagen, jedoch war es ein großer Erfolg für die Forschung.

imaginär konstruiertes Herz in Männerhand

Fazit

Durch den 3D-Druck können wir ganz neue Wege gehen und Organtransplantationen, als auch die Therapie schwerer Verletzungen oder Erkrankungen revolutionieren und verbessern.
Während wir schon einfach Strukturen wie Knorpel an Nase oder Ohr drucken können, sind dagegen unsere Organe sehr komplex arbeitende Systeme. Bei Niere, Herz oder Lunge müssten Hunderte von feinsten Gefäßen, Kapillaren und Nerven in einer Genauigkeit mitgedruckt werden. Bisher sind wir noch einige Forschungsschritte davon entfernt, um ein funktionsfähiges Transplantat herstellen zu können.
Ich finde, das macht wieder deutlich, wie komplex und beeindruckend der Körper und dessen Organe sind. Selbst mit modernster Technologie kommt man nicht an die Leistungsfähigkeit und Einzigartigkeit dieser Organe heran.
Deshalb ist es umso wichtiger, dass du auf deinen Körper Acht gibst und ihn gut behandelst, damit er dir lange erhalten bleiben kann.
Dein Körper mit all seinen Funktionen und Fähigkeiten ist ein faszinierendes Meisterwerk der Natur – Schenken wir ihm die Anerkennung, die er verdient und gehen wir gut mit ihm um!

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