Der Arzt entnimmt dem Patienten Blut, züchtet daraus Herzzellen und druckt mit dem 3-D-Drucker ein neues Herz: Geht es nach der amerikanischen Biotechnologie-Firma Biolife4D wird das in den nächsten Jahren Realität. Ein neues Herz würde ungeschehen machen, was Zigaretten, Übergewicht und das Alter beschädigt haben – und könnte den 17,3 Millionen Menschen, die nach einer Studie der American Heart Association jedes Jahr an einem kranken Herzen sterben (AHA Journals: D. Mozaffarian et. al, 2015), das Leben retten.

Aus speziellen Kunststoffen oder Metallen werden in der Medizin schon länger Hand- oder Beinprothesen, Hörgeräte und Zahnprothesen gedruckt. Der Kiefer oder ein Abdruck des Ohrs des Patienten wird durch einen Laserscan ausgemessen, sodass das Implantat genau zum Körper des Patienten passt. Am Computer wird eine 3-D-Druckvorlage entworfen, nach der die Druckmaschine Schicht für Schicht das geschmolzene Metall oder Kunststoff in winzigen Kügelchen auf eine Unterlage spritzt. Dann wird jede Schicht einzeln abgekühlt oder mit einem Laser bestrahlt, um auszuhärten.

Gedruckte menschliche Zellen, wie Biolife4D es sich vorstellt, sind im klinischen Alltag aber noch nicht angekommen. Um mit Zellen zu drucken ist eine besondere Form des 3-D-Drucks notwendig: das Bioprinting. Aus ein paar Blut-, Fett- oder anderen Gewebezellen züchten Forscher eine große Zahl Zellen und mischen diese mit einem wässrigen, gelatineartigen Gel. Zellen und Gelmasse bilden die Biotinte. Genau wie beim normalen 3-D-Druck wird diese Biotinte dann durch die Druckerdrüsen auf eine Unterlage gespritzt. Dadurch bildet sich Schicht für Schicht eine 3-D-Struktur nach der Computervorlage – aus menschlichen Zellen.

Der Vorteil beim 3-D-Drucken ist, dass man vergleichsweise gut kontrollieren kann, welche Zellen sich wo im Raum ansiedeln
Peter Koltay, Physiker

Forscherinnen und Forscher versuchen schon lange, menschliches Körpergewebe im Labor zu züchten. Oft werden dafür menschliche Zellen auf einem festen Gerüst angesiedelt; etwa Haut- und Knorpelzellen auf einem Gerüst in Form eines menschlichen Ohrs. Das Problem bei dieser Methode ohne 3-D-Drucker: Die Zellen wachsen nicht am Gerüst fest oder verteilen sich an Stellen, an denen die Wissenschaftlerinnen sie nicht haben wollen. "Der Vorteil beim 3-D-Drucken ist, dass man vergleichsweise gut kontrollieren kann, welche Zellen sich wo im Raum ansiedeln", sagt der Physiker Peter Koltay, der sich am Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit der Anwendung von 3-D-Druck beschäftigt. So können auch Teile des Körpers gedruckt werden, die aus vielen verschiedenen Zellarten aufgebaut sind, zum Beispiel Nieren- oder Lebergewebe.

Vielleicht ist das Bioprinting deshalb der entscheidende Schritt auf dem Weg dahin, eines Tages ganze Organe zu drucken. Das wäre ein riesiger Erfolg. Denn weltweit brauchen viel mehr Menschen ein neues Organ, als es Spender gibt. Es geht dabei nicht immer um Herz, Leber oder Niere. Mehr als fünf Millionen Menschen weltweit bräuchten laut WHO eine Hornhaut-Transplantation, um wieder sehen zu können. Sie haben ihre Hornhaut, den äußersten Teil des Augapfels, durch einen schweren Infekt verloren oder bei einem Unfall verletzt.

Kommen Hornhaut-Transplantate für diese Menschen in Zukunft aus dem 3-D-Drucker? Forscherinnen und Forscher der englischen Newcastle University (ScienceDirect: Isaacson et. al, 2018) haben zumindest schon eine Hornhaut gedruckt, die nur aus menschlichen Zellen besteht. Sie maßen das Auge des kranken Patienten aus und druckten mit einer Biotinte aus Stammzellen und Alginat, einer gelartigen Substanz, kreisförmige Schichten in Form der Hornhaut des Patienten. Bis sie transplantiert werden kann, wird es aber noch einige Jahre dauern, sagen die Wissenschaftler. Sie wollen noch erforschen, ob die Zell-Gel-Masse nicht irgendwann doch zerfließt – und die gedruckte Hornhaut es wirklich mit der menschlichen aufnehmen kann und das Auge scharf sehen lässt.

Dringend gebraucht werden auch Herzklappenimplantate. Patienten bekommen bisher Schweine- oder Rinderklappen oder eine künstliche Herzklappe aus speziellem Kunststoff eingesetzt. Beide Möglichkeiten sind aber lange nicht so gut wie das Original – sie zwingen den Träger dazu, für den Rest des Lebens Medikamente zu nehmen, oder müssen nach ein paar Jahren wieder ausgetauscht werden. Besser wäre eine Herzklappe aus menschlichen Zellen. Forscherinnen und Forscher der amerikanischen Cornell University haben das schon probiert: Sie züchteten menschliche Muskelzellen, die sie einem Patienten während einer Herzoperation entnahmen, und Bindegewebszellen aus der Herzklappe von einem Schwein. Aus dieser Biotinte druckten sie eine Herzklappe nach menschlichem Vorbild (NCBI: Duan et. al, 2012) Die gedruckte Version bestand Labortests, die die hohen Drücke und Belastungen für die Herzklappe im menschlichen Körper nachstellen sollen. Aber die Forscher entdeckten, dass sie an manchen Stellen weniger reißfest und stabil ist als an anderen. Deshalb wird es wohl noch dauern, bis die gedruckte Herzklappe dem ersten Patienten eingesetzt werden kann.