Lunge im Kleinformat: Im Bioreaktor wächst eine menschliche Lunge heran. Als Trägerstruktur haben Wissenschaftler der Uni Würzburg eine Rattenlunge dezellularisiert und mit humanen Zellen wiederbesiedelt. Der Bioreaktor - gesteuert von Siemens-Technik  -sorgt dafür, dass das Blutgefäßsystem des Gewebes beatmet wird. Verwendet wird die Technologie zum Beispiel in der Tumorforschung zur Wirkstoffentwicklung.

Gewebezüchtung macht Fortschritte

Der Traum vom Organ aus dem Labor

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Würzburg - Noch ist es eine Wunschvorstellung: menschliche Organe aus dem Labor – gewachsen aus den Zellen des Patienten. Doch die Wissenschaft kommt gezüchteten Herzen, Nieren und Lungen immer näher. 

Es war das Foto einer Maus, das um die Welt ging und große Hoffnung weckte. Das Bild zeigt eine Labormaus, die auf dem Rücken ein menschliches Ohr trägt. Nachdem die Brüder Charles und Joseph Vacanti, Pioniere in der Gewebezüchtung, 1997 ihre Forschungsergebnisse veröffentlicht hatten, war die Aufregung groß: Während die „Vacanti-Maus“ für die einen zum Symbol für eine Wissenschaft außer Rand und Band wurde, waren andere regelrecht elektrisiert: Organe nach Maß seien zum Greifen nah, glaubten sie. Patienten würden bald nicht mehr auf Spenderorgane angewiesen sein. Herzen, Nieren und Lungen kämen bald aus dem Labor.

Weltweit hoffen Millionen schwer kranke Menschen auf die Transplantation eines Organs. Laut der Deutschen Stiftung Organtransplantation standen allein in Deutschland zuletzt 10 239 Menschen auf der Warteliste. Täglich sterben drei Menschen bundesweit, weil für sie nicht rechtzeitig ein Organ zur Verfügung stand.

Denn knapp 20 Jahre nachdem die Ohrmaus für Furore sorgte, wachsen immer noch keine Herzen im Labor. „Ein Organ wie das menschliche Herz zu bauen, ist nicht so einfach“, sagt Jan Hansmann von der Uni Würzburg. „Man kann ein Herz heute zwar bereits züchten und zum Kontrahieren bringen, aber es erfüllt nicht alle Funktionen, die ein Herz hat“, erklärt er. Dennoch hat sich in den vergangenen 20 Jahren einiges getan im Bereich des sogenannten Tissue Engineering – der Gewebezüchtung.

Der Traum vom Organ aus der Retorte

In Würzburg am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin forschen gleich mehrere Teams daran, wie sich neues Gewebe und komplette Organe aus menschlichen Zellen züchten lassen. Einer davon ist Doktor Jan Hansmann, 37. Der Mann im weißen Kittel ist so etwas wie ein Ingenieur für menschliche Bausteine und leitet die Nachwuchsgruppe Electronic-Tissue Interfaces, in der es um die automatisierte Gewebezüchtung geht. Ingenieure, Biologen, Mediziner, Materialwissenschaftler und Pharmakologen arbeiten hier zusammen, um ihn wahr zu machen – den Traum vom Organ aus der Retorte.

Brutkasten für Organe: Doktor Jan Hansmann erklärt die Funktionsweise der Inkubatoren, in denen an der Universität Würzburg menschliches Gewebe gezüchtet wird. Der Mann im weißen Kittel ist so etwas wie ein Ingenieur für menschliche Bausteine und leitet seit 2013 am Lehrstuhl für Tissue Engineering der Uni Würzburg die Nachwuchsgruppe Electronic-Tissue Interfaces, in der es um automatisierte Gewebezüchtung geht.

Die Maus von damals ist in Würzburg heute ein Bioreaktor. Eine Art Brutkasten, der in einem Glaskasten, dem Inkubator, untergebracht ist. Das Innere ist temperiert – 37 Grad Celsius wie im menschlichen Körper. Gaszusammensetzung und auch der pH-Wert werden genau kontrolliert. Damit die Grundvoraussetzungen stimmen, unter denen Gewebe wachsen kann. „Es reicht aber nicht, menschliche Zellen in eine Petrischale zu geben und einfach abzuwarten. Dann würde ein Zellteppich wachsen, der nicht die gleichen Eigenschaften hat wie das gewünschte Gewebe“, erklärt Hansmann. Nötig sei, so erklärt es Hansmann Laien, „ein Nest für die Zellen“. In der Praxis kommt dieses Nest in Würzburg von Schweinen – um genau zu sein aus dem Schweinedarm.
Etwa einmal pro Woche wird zur Herstellung der Trägerstrukturen ein Stück Darm mit Blutgefäßen, Arterien und Venen von einem toten Tier entnommen. Ein Dezellularisierungsgerät entfernt die Zellen aus dem Gewebe, bis nur noch eine beinah durchsichtige Struktur aus Proteinen übrigbleibt. Das Gewebe wird mit einer Salzlösung durchgespült, Strahlung tötet die Bakterien ab. Fertig ist das Rohmaterial, das nun mit menschlichen Zellen besiedelt wird. Diese kommen von Spendern aus dem Krankenhaus – Abfallprodukte nach Operationen wie zum Beispiel einer Beschneidung.

Mit der Pipette platziert ein Wissenschaftler rund 30 000 Zellen pro Quadratzentimeter auf dem Gewebe. Ein bis zwei Stunden dauert es, bis die Zellen auf dem Gerüst haften bleiben. Dann geht es ab in den Bioreaktor. Hier reift das Gewebe langsam heran. Je nachdem welche Zellen verwendet wurden, wächst ein Stück Haut oder eine kleine Lunge. Dabei muss das Gewebe mit Nährstoffen versorgt und auch stimuliert werden, damit es auf seine späteren Aufgaben gut vorbereitet ist. „Eine Lunge braucht zum Beispiel den Reiz durch die Atmung, eine Hornschicht wiederum bildet sich nur, wenn die oberste Schicht des Hautgewebes zwischen Flüssigkeit und Luft liegt“, erklärt Hansmann. Die Züchtung menschlicher Haut dauert so etwa drei Wochen.

Größter Erfolg in Deutschland im Jahr 2009

Die Steuerung der Bioreaktoren und Inkubatoren kommt von Siemens, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Nährstoffgehalt werden automatisch über Pumpen geregelt – das spart viel Zeit und Kosten. „Die Automatisierung hilft der Universität, ihre Laborkosten deutlich zu senken und gleichzeitig die Zahl der gezüchteten Gewebe pro Zyklus zu vervielfachen“, sagt Marcel Roske, Marketing Manager für die Automatisierungstechnik Simatic HMI bei Siemens. Mit der Siemens-Technik arbeitet Hansmann bereits seit fünf Jahren, zunächst in Stuttgart am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, seit 2013 in Würzburg. Seitdem hat sich nicht nur die Forschung, sondern auch die Technik weiterentwickelt. Waren die ersten Inkubatoren so groß wie Kühlschränke, ähneln die jüngsten Modelle einem Brutkasten mit Klappmechanismus.

Den größten Erfolg feierte die automatisierte Gewebezüchtung in Deutschland 2009: Im Bioreaktor wurde ein Stück menschliche Luftröhre hergestellt – und erfolgreich einem Patienten implantiert. Vor der OP wurden dem jungen Mann Zellen entnommen, aus denen im Labor die Luftröhre gezüchtet wurde. „Ohne das biologische Pflaster wäre er mit großer Wahrscheinlichkeit verstorben oder hätte massive Einschränkungen in seiner Lebensqualität hinnehmen müssen. So war das Loch nach einem halben Jahr völlig verschlossen. Der Körper hat das Gewebe angenommen“, berichtet Hansmann.

Um Implantate aus dem Labor künftig weiteren Patienten einsetzen zu können, läuft seit sieben Jahren ein Zulassungsverfahren. „Der Weg von der Erforschung eines Therapieverfahrens bis zur regulären klinischen Anwendung ist weit“, sagt Hansmann. Problematisch war lange Zeit, dass die neuartigen Therapieformen schwer mit den geltenden Gesetzen erfasst werden konnten. „Das Problem war, dass wir weder ein Medikament noch ein Medizinprodukt herstellen, schließlich ist der Patient durch die notwendigen Zellen Teil der Herstellung“, sagt Hansmann. Eine Klassifizierung von gezüchtetem Gewebe sei früher im Gesetz nicht vorgesehen gewesen. Das wurde 2009 geändert. Mittlerweile stehen im Zulassungsverfahren die klinischen Studien an – es handelt sich also immer noch um mehrere Jahre, bis Patienten von den Implantaten aus Würzburg profitieren können.

Hansmann und seine Kollegen wollen mit gezüchteten Implantaten schwere Erkrankungen und Verletzungen heilen. Ihre Forschung findet aber auch in ganz anderen Bereichen Anwendung. Vor allem an der Haut, die in Würzburg gezüchtet wird, hat die Pharmaindustrie Interesse. Sie kann so neue Medikamente an lebendem, durchblutetem und belastbarem Gewebe testen. Hilfreich ist zudem, dass man am Lehrstuhl auch krankes Gewebe züchten kann – wenn ein entsprechender Spender zur Verfügung steht. Das senkt die Kosten der teuren Medikamentenentwicklung – und macht Ergebnisse laut Hansmann aussagekräftiger als in Tierversuchen. Der Mensch sei nun mal keine 70 Kilogramm schwere Maus. Die Anatomie der Haut beispielsweise sei bei einer Maus deutlich anders.

Auch die Kosmetikindustrie hat Interesse

„Es gibt bereits eine erste Produktionslinie für künstliche menschliche Haut“, erzählt Hansmann. Während in Würzburg momentan rund 500 Hautmodelle manuell pro Monat gezüchtet werden, kann ein in einem Fraunhofer-Verbundprojekt entwickelter vollautomatisierter Prototyp monatlich 5000 bis 8000 Hautmodelle herstellen. Ein Quadratzentimeter Haut, der im Labor wächst, kostet je nach Komplexität zwischen etwa 50 und mehreren hundert Euro.

Auch die Kosmetikindustrie hat Interesse an der gezüchteten Haut. Sie sucht Alternativen, seit 2013 Tierversuche für die Kosmetikindustrie in der Europäischen Union verboten wurden. An den Hautmodellen kann zum Beispiel untersucht werden, wie verträglich und wirksam Cremes sind. Momentan werden Details geklärt, danach ist der Weg frei für weitere Anwendungen, so Hansmann.

Noch ist es ein weiter Weg, bis komplexe Organe aus dem Labor kommen. Auch wenn Hansmann noch beinah ein ganzes Wissenschaftlerleben vor sich hat, glaubt er nicht, dass er es noch erleben wird, wie Herzen und Nieren im Bioreaktor heranreifen. „Vielleicht wird die nächste Generation ein Herz züchten“, sagt er. Hansmann und seine Kollegen leisten die Vorarbeit – und haben so ganz nebenbei eine echte Alternative zu Tierversuchen gefunden.

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