In der Regenerativen Medizin boomt die Forschung rund um „Tissue Engineering“ und dessen Erweiterung namens Bioprinting. In der klinischen Praxis spielen beide noch keine relevante Rolle. Organe aus dem Labor oder dem 3D-Drucker sind Zukunftsmusik, Xenotransplantationen scheinen da derzeit noch erfolgversprechender zu sein.
Wenn bei Maschinen ein Teil defekt ist oder nur noch unzureichend funktioniert, kann es in der Regel einfach durch einen Fachmann ausgetauscht werden. Dass ein solches Verfahren auch auf den komplexen menschlichen Organismus angewandt werden könnte, um beispielsweise krankes Gewebe, beschädigte Knorpel und Gelenke oder gar ganze ihren lebenswichtigen Dienst verweigernde Organe zu ersetzen, galt lange Zeit als pure Science Fiction. Doch mit den erfolgreichen Organtransplantationen schien die Medizin einen Königsweg gefunden zu haben, der allerdings wegen der nur völlig unzureichenden Verfügbarkeit von Spenderorganen schnell an seine Grenzen gelangte.
Von daher war es nur logisch, dass sich die Wissenschaft auf die Suche nach Alternativen aufgemacht hatte, um beispielsweise durch im Labor gezüchtete Organe im Zuge des sogenannten Tissue-Engineering (= Gewebekonstruktion) und dessen Erweiterung namens Bioprinting (3D-Biodruck) oder durch Transplantation tierischer Organe (Xenotransplantation; xenos = fremd) irgendwann die menschliche Organspende ersetzen zu können. Obwohl die Forschung speziell im Bereich Bioprinting seit einem Jahrzehnt auf Hochtouren läuft, sich zu einem potenziell höchst lukrativen Markt samt Global Playern der Pharma-Branche und einer Unzahl von Patentanmeldungen entwickelt hat, ist laut einhelligem Urteil so gut wie aller Experten mit einem schnellen Durchbruch in Sachen ganzer Organe aus der Retorte nicht zu rechnen. Deutlich besser für relativ zeitnahe Erfolge scheinen die Chancen für Transplantationen tierischer Organe in den Menschen zu sein, wobei sich Schweineorgane als beste Option herausgestellt hatten, weil sie physiologisch sowie morphologisch den menschlichen Organen besonders ähnlich sind und sich zudem das Schweinegewebe bei den schon seit den 1970er-Jahren gebräuchlichen biologischen Herzklappen bestens bewährt hatte. Obwohl immunologisch verträgliche Organe aus dem Labor fraglos die bessere Lösung wären und einen enormen medizinischen Fortschritt darstellen würden, wird die Xenotransplantation wohl der nächste Schritt sein. „Die Xenotransplantationen werden wahrscheinlich viel schneller funktionieren“, so Prof. Rafael Kramann, Direktor der Klinik für Nieren- und Hochdruckkrankheiten der Universität Aachen, in einem im Sommer 2024 auf einem Wiener Ärztekongress gehaltenen Vortrag.
2021 erster Versuch am Menschen
Xenotransplantationen: Lange galt es als unmöglich oder zumindest als extrem risikoreich, Organe zwischen zwei unterschiedlichen Spezies zu übertragen, weil artspezifische Proteine starke Abstoßungsreaktionen beim Empfänger hervorrufen. Weshalb die Zellen, das Gewebe oder das Organ des potenziellen Spenders Schwein vor einer möglicher Organübertragung an den Menschen im Rahmen einer Xenotransplantation, die seit den 1980er-Jahren erforscht wird, genetisch verändert werden müssen – auch wenn das Erbgut von Schwein und Mensch zu 95 Prozent identisch ist. Die jüngsten Fortschritte im Genome Editing, insbesondere die CRISPR-Methode, haben es ermöglicht, menschliche Gene in das Schweinegenom einzubringen, um die Wahrscheinlichkeit erhöhen zu können, dass das Schweineorgan vom menschlichen Organismus akzeptiert wird. Zudem konnten einige spezifische Schweinegene entfernt werden. 2018 hatte ein deutsches Forscherteam fünf Pavianen genetisch veränderte Schweineherzen eingepflanzt, vier Tiere hatten die Transplantation gut vertragen. Zwei Paviane hatten mehr als ein halbes Jahr mit dem Spenderorgan gelebt, bevor sie getötet wurden.
In den USA wurden 2021 erstmals Menschen mit gentechnisch veränderten Schweinenieren versorgt, wobei es sich um hirntote Probanden gehandelt hatte. Ein Jahr später wurde die Xenotransplantation erstmals in den USA an einem lebenden Menschen gewagt. Ein Ärzte-Team pflanzte das genetisch veränderte Herz eines Schweins einem 57-jährigen, schwerkranken Herz-Patienten ein. Nach zwei Monaten ohne größere Komplikationen verstarb der Patient infolge einer durch Unachtsamkeit der behandelnden Ärzte übersehenen Virusinfektion. Das Spenderschwein war mit dem für den Menschen eigentlich ungefährlichen porcinen Herpes-Erreger Cytomegalovirus infiziert gewesen, der aber das implantierte Herz zerstört hatte. Auch bei dem zweiten vom gleichen Team versorgten 58-jährigen Patienten mit Herzinsuffizienz im Endstadium schlug das Schweineherz lediglich sechs Wochen lang. Um Pannen wie beim ersten Patienten zu vermeiden, werden die Xeno-Schweine unter besonderen Hygienemaßnahmen aufgezogen, damit die Infizierung mit Keimen oder Viren vermieden werden kann. Was Tierschützer auf die Palme bringt, zumal sie auch die Herabwürdigung von Schweinen zum Ersatzteillager für menschliche Organe strikt ablehnen. Bevor in Deutschland eine Xenotransplantation mit menschlicher Beteiligung über die Bühne gehen könnte, müsste die Übertragung von Organen wie den Schweineherzen bei Pavianen vorab getestet werden. Anschließend müsste das zuständige Paul-Ehrlich-Institut die Genehmigung für eine klinisch kontrollierte Pilotstudie erteilen. Bei den beiden US-Amerikanern war die Xenotransplantation nur aufgrund einer Notfallgenehmigung durch die Food and Drug Administration (FDA) möglich geworden. Auch in Sachen künstlicher Hornhaut wird schon fieberhaft in Laboren hinsichtlich einer Xenotransplantation geforscht, indem Zellen aus Schweine-Hornhäuten so verändert werden, dass sie keine unerwünschte Immunreaktion beim Menschen hervorrufen können.
Die Wartezeit überbrücken
Kunstherz: Das Kunstherz ist eines der ältesten künstlichen Organe und wird schon seit mehr als 50 Jahren als Übergangslösung in der Wartezeit auf ein Spenderorgan eingesetzt. Das Kunstherz ist keineswegs ein Ersatz für das kränkelnde Organ eines Patienten, sondern unterstützt dieses lediglich mit Hilfe eines mechanischen Pumpsystems, wobei Klappen dafür sorgen, dass das Blut nur in eine einzige Richtung fließen kann. Es birgt ein gewisses Infektionsrisiko, da es mit einem aus dem Körper herausführenden Elektrokabel gespeist wird. Bei der Transplantation kann es zu Blutungen samt einem erhöhten Risiko für Schlaganfälle kommen. Ein neues Hightech-Model namens „Carmat Aeson“, das Mitte 2024 zwei Patienten am Universitätsklinikum Heidelberg eingepflanzt wurde, könnte womöglich sogar eine Dauerlösung werden, weil es komplett die natürliche Herzfunktion übernehmen kann. Das Kabel zur Stromversorgung kann in einer Umhängetasche samt den nötigen Akkus vom Patienten mitgeführt werden.
Tissue-Engineering: Der wichtigste Ausgangspunkt der Vorstellung von reproduzierbaren Körpern liegt in der Stammzellenforschung, in der seit den 1980er-Jahren schon viele bahnbrechende Erfolge vermeldet werden konnten. Wobei sich das Tissue-Engineering als Bereich der modernen Biotechnologie zum Ziel gesetzt hat, neues funktionelles Gewebe aus gesunden körpereigenen Zellen durch Vervielfältigung im Labor zu züchten – bis hin zu ganzen Organen, die dann ohne jegliche Abstoßungsreaktion dem jeweiligen Patienten eingesetzt werden könnten. Wobei meist mit Stammzellen (so etwas wie die Universalwerkzeuge des Körpers, die dazu in der Lage sind, sich unbegrenzt zu teilen und immer neue Zellen hervorzubringen, und aus denen sich die mehr als 200 verschiedenen Zellarten des Organismus entwickeln können), Gewebezellen oder auch mit sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) gearbeitet wird, wobei Letztere ähnlich wie embryonale Stammzellen den Vorteil haben, jede Art von körpereigenem Baustein bilden zu können. Am weitesten fortgeschritten ist das Tissue-Engineering inzwischen im Bereich des Hautersatzes. Auch beim Herstellen von Herzklappen oder Knorpel- und Knochenersatz kann das Verfahren schon einen Beitrag leisten. Das Muskelgewebe nicht zu vergessen.
Wohingegen die Entwicklung von Organen aus der Petrischale noch in weiter Ferne liegt, ein komplettes Organ, das aus verschiedensten Geweben zusammengesetzt ist, konnte bislang noch nicht entwickelt werden. Schon die nötige Größe der gezüchteten Organe und ihre komplexe Dreidimensionalität machen der Forschung schwer zu schaffen. Zwar konnten schon Leber- oder Nierengewebe gezüchtet werden, doch war das daraus entstandene Gebilde deutlich kleiner als die entsprechenden menschlichen Organe Niere und Leber, auf deren Herstellung sich die Forschung derzeit vor allem konzentriert. Zudem müssen die Wissenschaftler eingestehen, dass sie noch viele Funktionsweisen der Organe gar nicht kennen, was ein mögliches Reproduzieren deutlich erschwert. Allein die Blutgefäße eines Organs stellen eine Riesenherausforderung dar, von den verschiedenen Zelltypen und Gewebestrukturen, die für viele Organe benötigt werden, ganz zu schweigen. Nicht zuletzt dürften der Aufwand und die Kosten für ein einziges individuelles Organ mit der Züchtung von Zellen in einer künstlichen Umgebung und der anschließenden Verarbeitung in einem pharmazeutisch sicheren Verfahren zu komplexem Gewebe ganz erheblich sein. Allerdings können die beim Tissue-Engineering gewonnenen millimetergroßen Strukturen aus verschiedenen Zelltypen namens „Organoiden“ schon mal für das Austesten von Therapien oder Medikamenten genutzt werden.
Spezielle Bio-Tinte für den 3D-Druck
Bioprinting: Ein Organ aus dem Drucker – das klingt zunächst einmal geradezu fantastisch, auch wenn die Forschung seit dem Start vor rund 20 Jahren auf Basis und in Erweiterung der Stammzellenforschung genau auf diese Technik in 3D setzt. Wobei sich Deutschland in dem als „Zukunftstechnologie“ deklarierten Bioprinting laut Angaben des Bundesforschungsministeriums hinter den USA und China „eine gute Position zur kommerziellen Nutzung“ gesichert hat. Im medizinischen Bereich konnten Forscher schon etliche Körperteile erfolgreich mit einem speziellen 3D-Drucker herstellen, unter anderem künstliche Eierstöcke, aber auch Knochen, Knorpel oder Muskelgewebe. Auch an Brustimplantaten auf Basis pflanzlichen Kollagens via 3D-Biodruck wird derzeit gearbeitet. 2024 sorgten US-Wissenschaftler mit dem Drucken von funktionellem menschlichem Gehirngewebe für Aufsehen, österreichischen Kollegen gelang zeitgleich die Herstellung von Knorpel-Gewebe auf kugelförmigen Mikro-Gerüsten. 2019 konnten israelische Forscher sogar ein Miniatur-Herz samt Blutgefäßen aus menschlichem Gewebe ausdrucken. Beim Bioprinting werden lebende Zellen, Biomaterialien und bioaktive Moleküle verwendet, um dreidimensionale Strukturen zu schaffen, die die natürliche Zusammensetzung menschlicher Gewebe oder Organe nachahmen. Für das Drucken wird Bio-Tinte gebraucht, wofür die biologischen Ausgangsmaterialien über verschiedene Schritte zu einem Gel verarbeitet werden, das im Drucker dann Schicht für Schicht in ein dreidimensionales Objekt entsprechend der vorher programmierten äußeren Form einfließt. Ein funktionstüchtiges Organ durch Bioprinting herzustellen oder gar einzupflanzen, ist bislang noch nicht gelungen. Schon die Entwicklung von Gelenken oder Knochen mit Hilfe von Bioprinting wäre eine wissenschaftliche Sensation, weil Prothesen aus körpereigenen Zellen eine neue Ära in der Regenerativen Medizin einläuten könnten. Auch an biogedruckten Strukturen für Gesichtsrekonstruktionen oder für Augenhornhäute im 3D-Printing wird schon geforscht. Bioprinting könnte auch nützlich sein, um die Anzahl der umstrittenen Tierversuche zu verringern. Viele Medikamente und Kosmetika können nämlich bislang nur an lebenden Organismen getestet werden und dafür könnte nun alternativ vom 3D-Drucker hergestelltes Gewebe zum Einsatz kommen. Manche Forscher arbeiten daher bereits sehr zur Freude von Beauty-Konzernen am Bio-Druck von hautähnlichem Gewebe, um die Verträglichkeit von Salben oder Cremes zu überprüfen. Beim Bioprinting gilt wie beim Tissue-Engineering die Problematik hoher Kosten und des noch unvollständigen Verständnisses des Funktionierens der menschlichen Organe samt ihrem komplexen Gefäßnetzwerk und ihrer komplizierten zellulären Interaktion. Bislang boomt Bioprinting hauptsächlich in der Forschung, während die Technologie in der angewandten Medizin noch keine sonderlich relevante Rolle spielt – obwohl immerhin schon mal in der Schweiz eine im 3D-Druck entstandene Ohrmuschel einem Patienten auf Basis seiner eigenen Zellen erfolgreich transplantiert werden konnte.