Bioprinting: Wie 3D-Druck Wartezeiten auf Spenderorgane verkürzen könnte
Berlin. Das Gerät sieht unscheinbar aus. Eine Werkbank mit Glasscheibe, ein eckiger, weißer Kasten und vier Schalen – das ist der 3D-Drucker von Cellbricks. Das Berliner Start-up hat ihn selbst entwickelt und weltweit patentieren lassen.
Doch der Drucker hat es in sich. Er arbeitet im Gegensatz zu herkömmlichen Varianten nicht mit einem beweglichen Druckkopf, sondern mit Licht.
Als Ausgangsmaterial kommt sogenannte Biotinte zum Einsatz, bestehend aus Gelatine und menschlichen Zellen. Sie wird in eine der Schalen gegeben und von unten mit einem Projektor belichtet. Wo das Licht das Material trifft, erstarrt dieses. So lässt sich Schicht für Schicht menschliches Gewebe oder sogar ein Organ mit Blutgefäßen erzeugen.
Im Probelauf entsteht ein parabelförmiges, milchiges Gewebe, das sich anfühlt wie ein Gummibärchen. Darin ist eine adrige Struktur zu erkennen.
Nach kurzer Zeit im Inkubator bilden sich im gedruckten Gewebe kleine Gefäße. Kapillaren, die die kleinste Zelle mit Blut und Nährstoffen versorgen können. Ein wichtiger Schritt, damit das Gewebe überlebt.
Die Wartelisten sind lang
Cellbricks-CEO Alexander Leutner ist zuversichtlich für den Praxiseinsatz des als Bioprinting bezeichneten Verfahrens. „Vollwertigen Organersatz aus dem Bio-3D-Drucker werden wir bald erleben – für unsere Kinder könnte es dann zum Standard werden“, sagt er. Vielen Patienten kann geholfen werden.
So warten allein in Deutschland etwa 8500 Menschen auf ein Spenderorgan – im Schnitt acht bis neun Jahre dauert es beispielsweise, bis sie eine Niere erhalten. Künstlich gezüchtete Organe wären eine Möglichkeit, den Engpass bei Organspenden zu verringern.
Leutner ist gelernter Maschinenbauer und gründete 2012 das Unternehmen Apodius, das auf Messlösungen für Faserverbundwerkstoffe spezialisiert war. Anschließend arbeitete er für die schwedische Hexagon, die Apodius übernommen hatte. Zu Cellbricks stieß er, nachdem sein Bruder eine Nierenspende von ihm benötigte. „Das hat mich zum Nachdenken angeregt, was ich eigentlich erreichen will“, sagt Leutner.
2021 wechselte er als CEO zu Cellbricks mit dem Ziel, der Knappheit bei Spenderorganen etwas entgegenzusetzen. „Es gibt bisher keine Alternative zur Organspende, aber wir werden sie finden“, sagt Leutner.
Beim Bioprinting gibt es schon einige Erfolge. 2019 gelang es israelischen Wissenschaftlern etwa, ein ‧Miniherz mit Zellgewebe und Blutgefäßen zu erzeugen. Funktionsfähig war das Herz aber nicht. Hier liegt die größte Herausforderung. Denn drucken lässt sich so gut wie alles.
Doch die Zellen müssen zusammenspielen und ihre Aufgabe erfüllen. Ein künstliches Herz muss schlagen, eine künstliche Leber Gifte aus dem Blut filtern. Derzeit ist Bioprinting sehr kostspielig und vor allem auf Forschungslabore beschränkt. Ein passender 3D-Drucker kostet schnell Zehntausende Euro.
Doch ein Wissenschaftler aus München will das Drucken kostengünstiger machen. Benedikt Kaufmann von der Hochschule München hat in seiner Doktorarbeit einen handelsüblichen 3D-Drucker so umgebaut, dass sich damit auch Biotinten verdrucken lassen. „Die größte Hürde war, eine stabile Umgebung für die Zellen zu schaffen“, erklärt Kaufmann.
Um das zu erreichen, hat er Heizfolien an das Gerät geklebt. Ein Mikrocontroller steuert die Temperatur auf konstante 37 Grad, die Luftfeuchtigkeit wird durch wassergetränkten Zellstoff auf mehr als 90 Prozent erhöht. Den Bauplan hat Kaufmann kostenlos ins Internet gestellt – knapp 500 Euro kosten die Einzelteile in Summe.
Kaufmann will die Technik in die Breite bringen – Bioprinting soll in mehr Laboren zur Verfügung stehen. Ein Ziel ist, auch medizinische Tierversuche zu ersetzen. An gedruckten Organen oder Geweben könnten Medikamente sogar zuverlässiger getestet werden.
Die Forschung zeigt aktuell, dass viele klinische Studien scheitern, weil Medikamente an Tieren anschlagen– beim Menschen aber nicht. Mit 3D-Druckern ließen sich beispielsweise Tumorzellen auf natürliches Ge‧webe aufdrucken. So wäre es wesentlich einfacher zu erforschen, welche Medikamente die Krebsausbreitung stoppen.
An den Biotinten und deren Zusammensetzung forscht Achim Weber am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. „Biotinten müssen biokompatibel sein, den Druckprozess überstehen – und die Zellen müssen den Prozess überleben“, erläutert er. Zudem muss das Gewebe die richtige Steife haben.
Weber testet, welches Material sich dafür am besten eignet. Aktuell druckt er viel mit modifizierter Gelatine oder Collagen. Die Proteine sind quasi das Gerüst, an dem die Zellen beim Druck befestigt werden. Geeignet sind vor allem Stammzellen, weil sie sich beispielsweise zu Herz- oder Leberzellen entwickeln können.
Forschen für den FC Barcelona
Weber arbeitet in einem EU-geförderten Projekt mit dem spanischen Spitzenklub FC Barcelona zusammen. Es geht darum, Knorpel, Bänder und Sehnen zu drucken. Profifußballer belasten die Gelenke stark. Der FC Barcelona will seinen Spielern bei Verletzungen schneller und effektiver helfen.
„Der Einbau von Zellen in den Körper wäre ein Gamechanger bei den Heilungschancen“, sagt Weber. Aktuell müsse er aber eher bremsen. „Das Schwierigste ist es, die Erwartungshaltung der Ärzte zu erfüllen.“ Es wird aktuell noch erforscht, wie effektiv gedruckter Knorpel helfen kann.
„Die Hoffnungen von Bioprinting sind, ein individualisiertes Produkt anbieten zu können“, sagt Weber. Aber das sei gleichzeitig ein Problem. Denn die Zulassungen für individuelle Medizinprodukte sind in der EU sehr streng. Es müssen im Prinzip für jedes individuelle Produkt einzeln Tests gemacht werden. „Da muss sich etwas in der Zulassung tun“, sagt Weber. Er geht davon aus, dass viele Unternehmen und die Arbeitsplätze abwandern werden, vor allem weil die Zulassung bei der amerikanischen FDA einfacher ist.
Cellbricks hat zwei Entwicklungszweige. Das Start-up arbeitet an Fettgewebe für die Brustrekonstruktion nach einer Krebserkrankung. Es basiert auf Zellen von Patientinnen und kann als Alternative für Silikonimplantate eingesetzt werden. Zudem entwickelt Cellbricks implantierbares Lebergewebe. Das Unternehmen kann bereits Erfolge im Labor und an Kleintieren vorweisen.
Hoher Finanzbedarf
Im kommenden Jahr stehen weitere Tierstudien an. Klinische Studien am Menschen sollen laut Leutner „zeitnah folgen“. Dafür braucht das Start-up frisches Geld. Bisher finanziert es sich über Risikokapital und Forschungsgelder. Für die weiteren Schritte will das Start-up mit einem Partner aus der Pharmabranche und weiteren Investoren zusammenarbeiten.
Leutner knüpft aktuell Kontakte in die USA. „In der Forschung sind wir in Deutschland hervorragend aufgestellt, aber bei der Überführung in die Praxis müssen wir sehr schnell sehr viel besser werden. Andernfalls laufen wir Gefahr, unseren Anschluss an die Weltspitze vollends zu verspielen.“