Druckauftrag: Herzklappe rechts

Das deutsche Transplantationsgesetz feiert am 25. Juni 2017 seinen 20. Geburtstag. Nun könnte die Forschung in den kommenden Jahren weitere Gesetze notwendig machen, die das Einpflanzen neuer Organe, die von 3-D-Druckern erzeugt wurden, regeln.  „Die durch das 3-D-Bio-Printing prinzipiell gegebene Möglichkeit, lebendes Gewebe mit hoher Präzision zu drucken, beflügelt derzeit die Phantasie vieler Forscher und Mediziner“, sagt Dr. Peter Koltay vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. Derzeit entwickle sich das digitale Drucken von lebenden biologischen Zellen zur Herstellung von künstlichem Gewebe und perspektivisch sogar von Organen zu einer vielversprechenden Technologie. Dies könne in Zukunft von großer Bedeutung für die Forschung in den Lebenswissenschaften und der regenerativen Medizin werden.

„Allerdings ist es bis zum intensiven Einsatz dieses Verfahrens in der Medizin noch ein langer Weg“, betont Koltay. Gewebe mit den derzeit größten unmittelbaren Anwendungschancen seien Haut-, Knorpel- und Knochengewebe, da sie eine vergleichsweise geringe Heterogenität und geringe geometrische Komplexität aufwiesen. „Hier werden bereits erste ‚Produkte‘ angeboten, die jedoch noch überwiegend mit den Methoden der konventionellen Gewebeersatzforschung, des so genannten Tissue Engineering, hergestellt werden.“

Im Gegensatz zu den mittlerweile weit verbreiteten 3-D-Druckverfahren, mit denen technische Bauteile hergestellt werden, sei das 3-D-Bio-Printing viel komplexer. „Die größte Herausforderung ist, die Qualität und Vitalität vieler unterschiedlicher Zellen über den gesamten Prozess zu erhalten.“ Erschwert werde dies, weil lebende Zellen sehr empfindlich seien. „Unter Umständen neigen Zellen dazu, sich zu verändern oder zeigen Effekte der Selbstorganisation auf. Das heißt, eine an einer bestimmten Stelle gedruckte Zelle bleibt nicht zwangsläufig mit allen ihren Eigenschaften erhalten, sondern kann sich verändern, im Gewebe wandern und mit anderen Zellen spontan neue Strukturen ausbilden“, erläutert Koltay.

Hinsichtlich der therapeutischen Anwendungen gebe es weitere Herausforderungen: Eine der derzeit größten sei  die so genannte Vaskularisierung – die Herstellung von Blutgefäßen, die das Gewebe  während und nach dem Druckvorgang mit Nährstoffen versorgt. Darüber hinaus müsse die Eignung der verwendeten Zellen für eine bestimmte Patientin oder einen bestimmten Patienten sichergestellt werden. „Wie bei der herkömmlichen Transplantation muss das Gewebe von Spender und Empfänger zueinander passen, um eine Abstoßungsreaktion des transplantierten Gewebes durch das Immunsystem zu vermeiden.“ Hier gebe es mehrere Ansätze, um diese Herausforderung erfolgreich zu meistern. Koltay betont jedoch: „Um Therapien erfolgreich und mit vertretbarem Risiko durchführen zu können, müssen zuvor noch strenge regulatorische Anforderungen entwickelt und ethische Fragen geklärt werden.“

Peter Koltay ist Physiker und seit März 2006 leitender Wissenschaftler und Akademischer Rat an der Professur für Anwendungsentwicklung. Er ist Mitgründer der Spin-Off-Unternehmen BioFluidix GmbH (www.biofluidix.com) und cytena GmbH (www.cytena.com). Sein besonderes Interesse gilt der mikrofluidischen Forschung und Lehre, also dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum, sowie der Erzeugung und Anwendung von Mikrotropfen insbesondere auch für das 3-D-Bio-Printing.

Dr. Peter Koltay
Technische Fakultät
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)
Anwendungsentwicklung
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg

Telefon: +49(0) 761 / 203-73240
E-Mail: koltay@imtek.de