Bioprinting: Wenn der 3-D-Drucker lebende Haut ausspuckt

Welche Arten von Gewebe können bisher ausgedruckt werden?

Markus Rimann: Momentan können sehr "einfach" aufgebaute Gewebe gedruckt werden, wie etwa Muskel, Knorpel, Haut und Teile der Leber sowie Teile der Niere, die hauptsächlich für ­Medikamententests hergestellt werden.

Wie muss man sich das Drucken von menschlichem Gewebe vorstellen?

Das Drucken von Gewebe funktioniert analog zum klassischen 3-D-Druck. Dabei braucht es menschliche Zellen und eine Gerüststruktur, um in die dritte Dimension zu gelangen. Die Gerüststruktur wird in diesem Fall Biotinte genannt und ist meistens ein Hydrogel – ein bekanntes Hydrogel ist zum Beispiel Gelatine, die auch zum Kochen gebraucht wird. Mit einem CAD- Programm, kurz für Computer Aided Design, können die verschiedenen Schichten gezeichnet werden, um das Gewebe aufzubauen. Danach können Zellen, gemischt in der Biotinte, in eine Spritze gefüllt und dann durch eine feine Nadel in Strängen platziert werden, um so das Gewebe Schicht für Schicht aufzubauen. Wichtig dabei ist, dass sich die Biotinte nach dem Druckprozess verfestigen lässt, damit das gedruckte Gewebe stabil bleibt. Das Bioprinting ist jedoch nur eine Technologie, um Zellen und Biotinte im 3-D-Raum zu platzieren. Danach ist immer eine Inkubation bei 37 Grad Celsius notwendig, damit sich die Zellen zurechtfinden, Zell-Zell-Kontakte ausbilden und somit ein funktionales Gewebe bilden können.

Welche Eigenschaften muss die Biotinte haben, um Gewebe zu drucken?

Die Biotinte muss zwei wichtige Eigenschaften erfüllen: Sie muss gut druckbar und zellkompatibel sein. Deshalb werden Hydrogele als Biotinten verwendet, da sie mit der extrazellulären Matrix – der Matrix, die sich um die Zellen im Gewebe gebildet hat – viel gemein haben.

Wie unterscheiden sich die 3-D-Drucker fürs Bioprinting von herkömmlichen 3-D-Druckern, die beispielsweise Maschinenteile ausspucken?

Der Hauptunterschied liegt sicherlich darin, dass mit (menschlichen) Zellen gearbeitet wird. Das setzt eine Umgebungstemperatur von 4 bis 37 Grad Celsius voraus. Ansonsten sterben die Zellen. Auch sind die Drucktechnologien adaptiert auf die Verwendung mit Zellen. Da Zellen sehr sensibel sind, müssen spezielle Druckköpfe verwendet werden, um die Zellen während des Druckprozesses nicht zu töten. Zusätzlich muss der Bioprinter in einer sterilen Umgebung platziert sein, um bakterielle und Pilz-Kontaminationen zu verhindern. Viele Biotinten sind temperatursensitiv, das heisst auch hier muss die Möglichkeit bestehen, entweder die Spritze, in der sich die Biotinte befindet, oder den Tisch, auf dem gedruckt wird, im Bereich von 4 bis 37 Grad Celsius zu temperieren.

Dieses Interview erschien im Sonderheft IT for Health 1/2019. Alle Inhalte der Ausgabe finden Sie hier.

Novartis sieht im Bioprinting vor allem eine Chance, um Wirkstoffe zu testen. Werden Medikamente bald nur noch an Gewebe aus dem 3-D-Drucker und nicht mehr an Tieren getestet?

Die Bioprinting-Technologie ist eine Methode, um Zellen möglichst in ihrer natürlichen 3-D-Umgebung, wie sie sich auch im Körper befinden, zu platzieren. Das Potenzial dieser Methode scheint sehr gross, weil auch verschiedene Zelltypen, wie sie zum Beispiel in einem Organ vorkommen, so angeordnet werden können, wie sie im Körper vorgefunden werden. Die Bioprinting-Technologie steckt aber noch in den Kinderschuhen und ist sehr komplex in der Anwendung. Es gibt andere, weniger komplexe Tissue-Engineering-Technologien, die mittelfristig für Medikamententests verwendet werden können. Der Trend, 3-D-Zellkulturen bei Medikamententests zu verwenden, wird sich sicher fortsetzen. Um dann letztlich Tierversuche zu ersetzen, was das erklärte Ziel ist, braucht es jedoch auch noch gesetzliche Bestimmungen.

Ist es realistisch, dass Menschen bald Organe aus dem 3-D-Drucker eingesetzt werden?

Nein, dazu müssen noch sehr viele Hürden überwunden werden. Organe sind hochkomplexe Zellgebilde, zusammen mit extrazellulärer Matrix, mit verschiedenen Zelltypen, die hochgeordnet in 3-D platziert sind. Ausschlaggebend für das Aufrechterhalten funktioneller lebendiger Organe ist die Nähr- und Sauerstoffversorgung sowie das Abführen von Abfallstoffen. Dazu braucht es eine Durchblutung – ein Blutgefäss-System. Im menschlichen Körper ist jede Zelle maximal 200 Mikrometer, also 0,2 Millimeter vom nächsten Blutgefäss entfernt. Diese Eigenschaft zu reproduzieren, ist sehr schwierig. Momentan ist es nicht möglich, ein Gewebe von 1 Kubikzentimeter zu produzieren, in dem die Zellen über längere Zeit überleben. Ein Organ hat jedoch ein viel grösseres Volumen. Es wird jedoch intensiv daran geforscht, Blutgefässe in gedruckte Gewebe direkt einzubringen. Ein wichtiger Punkt beim Organ-Bioprinting ist auch die Kultivierung nach dem Druckprozess. Organe sind grosse lebendige Gebilde, die nach dem Druckprozess noch kultiviert werden müssen, um ein funktionelles Organ zu bilden und zu bleiben. Für die Kultivierung solcher Organe müssen noch geeignete Bioreaktoren entwickelt werden. Je nachdem braucht das Gewebe bei der Inkubation noch weitere Trigger, um sich richtig zu entwickeln wie etwa mechanische oder elektrische Stimulation. Die Zellquelle muss auch genau definiert und qualitätskontrolliert werden. Wenn es um Organe geht, die implantiert werden, sollten körpereigene Zellen verwendet werden, damit keine immunologische Reaktion ausgelöst wird. Dazu bieten sich induziert pluripotente Stammzellen (iPSC) an. Diese Technologie muss jedoch auch noch weiterentwickelt werden, um für das Bioprinting sinnvoll genutzt werden zu können.

Wo gibt es sonst noch Schwierigkeiten?

Ein weiteres Problem sind die Biotinten. Obwohl Biotinten, wie oben beschrieben, "nur" zwei Eigenschaften aufweisen müssen – nämlich Druckbarkeit und Zellkompatibilität –, gibt es noch wenige optimierte Biotinten. Deshalb wird in diesem Gebiet ebenfalls intensiv geforscht. Die Entwicklung von neuen Biotinten benötigt die Expertise aus verschiedenen Disziplinen – Materialwissenschafter, Chemiker, Biologen –, was den Prozess zusätzlich verlangsamt, respektive erschwert. Weltweit erlebt das Bioprinting viel Beachtung und beinahe jede Forschungsgruppe, die Tissue Engineering verwendet, schafft sich Bioprinter an. Dabei werden auch ständig neue Biotinten entwickelt, weil die neuen Erkenntnisse auch sehr gut publiziert werden können. Diese Biotinten funktionieren in der jeweiligen Publikation meistens sehr gut. Leider ist es jedoch häufig schwierig, die Biotinten anschliessend selbst herzustellen, da die Produktionsschritte nicht detailliert genug aufgeschrieben sind. Damit die Technologie den Schritt in die Industrie schafft, braucht es aber standardisierte Herstellungsverfahren der Biotinten inklusive Qualitätskontrolle. Und genau diese Qualitätskontrolle stellt sich teilweise als schwierig heraus, da es sich bei Biotinten um komplexe polymere Substanzen handelt.

Welche anderen Bereiche, abgesehen von der ­Pharmaindustrie und der Medizin, profitieren vom Bioprinting?

In der Kosmetikindustrie werden Hautmodelle gebraucht, um die Sicherheit der kosmetischen Inhaltsstoffe zu gewährleisten (Irritation, Korrosion und allergische Reaktionen). In Europa muss dabei vollständig auf Tierversuche verzichtet werden. Das heisst die Nachfrage nach Hautmodellen ist gross. Momentan werden sehr einfache Hautmodelle ohne Bioprinting hergestellt. Die Bioprinting-Technologie verspricht hier komplexe Hautmodelle zu generieren, die auch Drüsen, Blutgefässe und Haare enthalten. In der Lebensmittelindustrie könnte man sich ausserdem vorstellen, künstliches Fleisch zu drucken, das Muskel- und Fettzellen enthält. Momentan wird auch schon diskutiert, Bioprinter in der Raumfahrt zu nutzen, um im Weltall Gewebe zu drucken.