Bioprinting – Organe aus dem Drucker

Menschliche Organe oder Gewebe aus dem Labor? In-Vitro-Fleisch? Tierversuchsfreie Herstellung von Kosmetik und Medikamenten?  Das sind Zukunftsmöglichkeiten, die durch die Technologie des Bioprinting real werden können. Das Bioprinting ist eine innovative Form des 3D Drucks, dessen präzise und dreidimensionale Fertigung von komplexen organische Bauteilen künftig unser Leben fundamental verändern kann.

Was ist Bioprinting?

Beim Bioprinting handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren. Anders als beim bekannten 3D Druck wird nicht aus Kunststoff ein Bauteil Schicht für Schicht gedruckt, sondern mit Hilfe von organischen Substanzen, wie lebenden tierischen oder menschlichen Zellen. Wie im Tissue Engineering werden künstlich biologische und biologisch funktionelle Gewebe oder gar Organe gedruckt.

Allerdings Bioprinting beschreibt nicht nur den Druckvorgang an sich, sondern auch die notwendigen Prozesse, um die Zellen und Materialien für den Druck vorzubereiten, sowie die erforderlichen Maßnahmen zur erfolgreichen Gewebereifung nach dem Druck.

Wie funktioniert’s

Zuerst erfolgt in der Phase der Vorbereitung die Schaffung eines digitales Modell, welches gedruckt werden soll. Beispielsweise kommen Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) beim Scannen von Organen oder Gewebe zum Einsatz.

Danach wird mit Hilfe eines Hydrogels, auch die sogenannte Biotinte oder auch Bioink, das Modell gedruckt. Die Biotinte dient als stabilisierende Matrix und enthält die einzubettenden Zellen, sowie extrazelluläre Komponenten zur Unterstützung des Gewebewachstums. Der Bioprinter trägt schichtweise die Biotinte auf eine Unterlage. Die gedruckten Schichten sind höchstens 0,5 Millimeter dick.

Damit das gedruckte Gewebe schließlich seine endgültige Form erhält, müssen die zähflüssigen Schichten erstarren. Im Erstarrungsprozess können Faktoren wie UV-Licht, Chemikalien oder Temperaturen unterstützend wirken.

Beispiele aus der Praxis

Zurzeit beschränkt sich die Anwendung in der Praxis auf sogenannte Gewebegrundgerüste. In diesen reifen die Zellen zu einem Organ an und arbeiten danach selbstständig. In der regenerative Medizin verzeichnet man schon Erfolge beim Druck von Knochen- und Knorpelgewebe.

Außerdem macht das neue innovative Druckverfahren ebenfalls verschiedene Versuche an Mensch und Tier für medizinische und pharmazeutische Tests überflüssig, da sie beispielsweise an künstlich gedruckten Hautgewebe erfolgen.

Israelische Forscher druckten 2019 ein vollständiges Herz, welches komplett aus menschlichem Gewebe besteht und alle wichtigen Strukturen wie Blutgefäße verfügt. Jedoch ist es viel kleiner und kann noch nicht pumpen. An der koordinierten Organfunktion wird weiterhin geforscht.

Dadurch könnten künftig Gewebe und Organe patientenspezifisch hergestellt werden und der Bedarf an Spenderorganen für Transplantationen gesenkt werden.

Das Bioprinting ist ebenfalls im Lebensmittelbereich eine alternative Option der Fleischproduktion. So wurde bereits Fleisch aus tierischen Muskelzellen einer Kuh in einer Nährlosung gezüchtet, ohne dass sie dabei sterben musste. So könnten zukünftig auch künstliches Fleisch in Pattie- oder Schnitzelform bald aus einem Bioprinter kommen und tierische Produkte klimafreundlich hergestellt werden.

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Verfahren

Aktuell kommen drei verschiedene Druckverfahren je nach erwünschter Art des Gewebes zum Einsatz:

• Tintenstrahlverfahren: Zwei Düsen spritzen abwechselnd eine Flüssigkeit auf eine Unterlage. Wobei eine Düse Hydrogel sprüht und die andere die lebende Zellen, die sich selbst in dem gedruckten Gerüsten zu einem biologischen Gewebe formen.
• Extrusionsverfahren: Zellen befinden sich in höherviskoser Suspension und werden als Strang durch eine Düse kontinuierlich extrudiert.
• LIFT-Verfahren: Ein Laserstrahl bringt winzige Tröpfchen der Biotinte auf eine Unterlage aus.

Bild: Verfahren des Bioprinting
Quelle: Ma et al. (2018)

Fazit

Das 3D-Bioprinting ist eine Zukunftstechnologie, die noch in ihren Kinderschuhen steckt. Die möglichen Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Um die Potentiale vollständig auszuschöpfen, forschen Wissenschaftler weltweit und im All die Komplexität des Bioprinting.

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