Wie Gewebezüchtung neue Organe von Grund auf entstehen lässt

Die Krise des Organmangels

Allein in den Vereinigten Staaten stehen mehr als 100.000 Menschen auf Wartelisten für Organtransplantationen, und jedes Jahr sterben Tausende, bevor ein passendes Spenderorgan gefunden wird. Die Gewebezüchtung – eine Disziplin, die Biologie, Medizin und Ingenieurwesen vereint – zielt darauf ab, diese Krise zu lösen, indem sie funktionstüchtige Organe im Labor aus den eigenen Zellen eines Patienten züchtet.

Das Gebiet feierte seinen ersten bahnbrechenden Erfolg, als der Chirurg Anthony Atala am Wake Forest Institute for Regenerative Medicine 1999 eine im Labor gezüchtete Blase in einen Patienten implantierte. Seitdem haben Forscher Haut, Blutgefäße, Luftröhren, Muskeln und – in jüngster Zeit – eine funktionierende Speiseröhre gezüchtet.

Wie es funktioniert: Zellen, Gerüste und Bioreaktoren

Der Aufbau eines Organs im Labor erfolgt in drei groben Schritten.

1. Gewinnung und Vermehrung von Zellen

Wissenschaftler beginnen mit einer winzigen Gewebeprobe – manchmal nicht größer als eine Briefmarke. Daraus isolieren sie die relevanten Zelltypen und kultivieren sie in nährstoffreichen Medien. Laut Forschern von Wake Forest könnte eine einzelne Zellschicht theoretisch innerhalb von etwa sechs Wochen Wachstumszeit ein Fußballfeld bedecken. Wenn sich die eigenen Zellen eines Patienten nicht leicht vermehren lassen, dienen Stammzellen – die sich zu vielen Gewebetypen entwickeln können – als Alternative.

2. Aufbau des Gerüsts

Zellen benötigen ein dreidimensionales Gerüst, um sich zu einem funktionierenden Organ zu organisieren. Ingenieure erstellen dieses Gerüst, das als Scaffold bezeichnet wird, auf eine von zwei Arten:

• Dezellularisierung – Ein Spenderorgan wird mit Detergenzien und Enzymen gespült, die alle lebenden Zellen entfernen und die extrazelluläre Matrix (ECM) zurücklassen, ein geisterhaftes Protein-Skelett, das die ursprüngliche Form und die biochemischen Signale des Organs beibehält.
• Synthetische oder biogedruckte Gerüste – Biologisch abbaubare Polymere oder Hydrogele werden in die gewünschte Form gegossen oder 3D-gedruckt, manchmal mit eingebetteten Kanälen, die Blutgefäße nachahmen.

Das Gerüst wird dann mit den vermehrten Zellen des Patienten in einem Prozess namens Rezellularisierung besiedelt.

3. Reifung in einem Bioreaktor

Das besiedelte Gerüst wird in einen Bioreaktor gegeben – eine Kammer, die die Bedingungen des Körpers nachahmt und Temperatur, Sauerstoffzufuhr und mechanische Belastung bietet. Über Tage oder Wochen vermehren sich die Zellen, differenzieren sich und verweben sich zu funktionierendem Gewebe. Erst dann ist das gezüchtete Organ bereit für die Implantation.

Was bereits transplantiert wurde

Die Gewebezüchtung folgt einer groben Komplexitätsleiter. Flache Gewebe wie Haut waren am einfachsten zu beherrschen und sind seit Jahrzehnten klinische Standardpraxis. Als nächstes kamen tubuläre Organe: Atalas Team implantierte im Labor gezüchtete Blasen in sieben junge Patienten, und Nachuntersuchungen über mehr als sieben Jahre zeigten eine anhaltende Verbesserung, wie Wake Forest berichtete. Eine aus Stammzellen gewonnene Luftröhre wurde von einem Team unter der Leitung von Martin Birchall in einen Erwachsenen – und später in ein Kind – transplantiert, was die erste pädiatrische Transplantation eines gentechnisch hergestellten Organs darstellte.

In einem jüngsten Meilenstein schufen Wissenschaftler des Great Ormond Street Hospital und des University College London ein 2,5 Zentimeter großes Speiseröhrentransplantat, besiedelten es mit den eigenen Zellen des Empfängers und implantierten es in Schweine. Innerhalb von drei Monaten integrierte sich das Transplantat vollständig; nach sechs Monaten hatte es funktionierende Muskeln, Nerven und Blutgefäße entwickelt, die in der Lage waren, Nahrung in Richtung Magen zu befördern.

Die Herausforderung der soliden Organe

Herzen, Lebern, Nieren und Bauchspeicheldrüsen bleiben der „Heilige Gral“ des Fachgebiets. Diese soliden Organe benötigen dichte Netzwerke von Blutgefäßen, um Sauerstoff tief in das Gewebe zu transportieren – ein Problem, das als Vaskularisierung bezeichnet wird und das noch kein Team in Transplantationsgröße vollständig gelöst hat. Forscher von Wake Forest haben eine Miniaturniere gebaut, die Urin ausscheiden kann, und mehrere Gruppen haben im Labor schlagendes Herzgewebe demonstriert, aber die Skalierung dieser Prototypen auf klinische Größe ist noch Jahre entfernt.

Warum es wichtig ist

Da gentechnisch hergestellte Organe die eigenen Zellen eines Patienten verwenden, umgehen sie die beiden größten Probleme der konventionellen Transplantation: Spenderknappheit und Immunabstoßung. Patienten bräuchten keine lebenslangen Immunsuppressiva mehr. Da der 3D-Biodruck die Auflösung verbessert und die Bioreaktorkonstruktionen immer ausgefeilter werden, bewegt sich das Gebiet stetig von einfachen Geweben hin zu den komplexen Organen, die eines Tages die Wartelisten für Transplantationen vollständig beseitigen könnten.