3D-Bioprinting könnte die Lösung auf weltweite Organknappheit sowie auf die zunehmende Zurückhaltung, neue kosmetische, chemische und pharmazeutische Produkte an Tieren zu testen sein. Glauben Sie, dass in Laboratorien gezüchtete Organe nur in den Köpfen von Science-Fiction-Drehbuchautoren existieren? Denken Sie, dass 3D-Druck nur zur Herstellung von Handyhüllen und Plastikspielzeug verwendet wird? Es ist höchste Zeit, den diesen Irrglaube zu korrigieren. So wird Bioprinting in das Gesundheitswesen einbrechen und Organspenden und Tierversuche revolutionieren.

Moment mal ... was ist Bioprinting?

 

Wenn Sie den Begriff Bioprinting neben Androiden, erdenden Raumschiffen in einer postapokalyptischen Umgebung, platzieren, erhalten Sie den nächsten Hollywood-Blockbuster. Im Gegensatz zu böswilligen Außerirdischen gibt es Bioprinting jedoch nicht nur in Science-Fiction-Filmen, sondern wird das Gesundheitswesen in den folgenden Jahrzehnten umso mehr verändern. Bevor wir jedoch auf Details eingehen, wollen wir die Technologie selbst analysieren.

 

3D-Bioprinting bedeutet die Erzeugung lebender Gewebe wie Blutgefäße, Knochen, Herz oder Haut mithilfe der additiven Fertigungstechnologie des 3D-Drucks. Letzteres impliziert die Herstellung dreidimensionaler fester Objekte aus einer digitalen Datei unter Verwendung eines Überlagerungsprozesses. In der gängigsten Version wird ein Ausgangsmaterial, z. B. Kunststoff, verflüssigt, und dann fügt die Maschine Schicht für Schicht auf der Plattform hinzu, bis Sie ein vollständig geformtes Objekt haben.

Das Drucken von Organen ist natürlich etwas komplizierter. In den frühen 2000er Jahren entdeckten Forscher, dass lebende Zellen durch die Düsen von Tintenstrahldruckern gesprüht werden konnten, ohne sie zu beschädigen. Es reicht jedoch nicht aus, die Zellen selbst zu haben, sie benötigen eine pflegende Umgebung, um am Leben zu bleiben: Nahrung, Wasser und Sauerstoff. Heutzutage werden diese Bedingungen durch ein Mikrogel bereitgestellt - denken Sie an Gelatine, die mit Vitaminen, Proteinen und anderen lebenserhaltenden Verbindungen angereichert ist. Um Bedingungen zu schaffen, die das schnellste und effizienteste Zellwachstum fördern, pflanzen die Forscher die Zellen um 3-D-Gerüste aus biologisch abbaubaren Polymeren oder Kollagen, damit sie zu einem voll funktionsfähigen Gewebe heranwachsen können.

Nehmen wir das Beispiel der Blase, eines einfacheren Organs, das nur aus zwei Zelltypen besteht. Zunächst scannen die Forscher das Organ des Patienten, um die personalisierte Größe und Form zu bestimmen. Dann erstellen sie ein Gerüst, um den Zellen etwas zu geben, auf dem sie in drei Dimensionen wachsen können, und fügen dem Gerüst Zellen des Patienten hinzu. Das ist mühsam arbeitsintensiv und kann bis zu acht Wochen dauern. Schließlich schafft ein Bioreaktor die optimale Umgebung, in der die Zellen zu einem Organ wachsen können. Wenn Ärzte das Organ endgültig in den Patienten einsetzen, ist das Gerüst entweder verschwunden oder verschwindet kurz nach der Operation.

Die Beschreibung kann nicht zeigen, wie schwierig und zeitaufwändig der gesamte Prozess ist, sodass die Massenproduktion definitiv weiter unten liegt. Synthetische Haut, ein bionisches Ohr, eine Blase oder eine Hornhaut sind möglicherweise die ersten Gewebe, die bei Bedarf entweder bioprinted oder im Labor gezüchtet werden. Danach könnten kompliziertere konstruiert werden. Wir sind noch Jahrzehnte davon entfernt, voll funktionsfähige, komplexe Organe zu bioprinten, aber die ständige Weiterentwicklung des Tissue Engineering wird zu immer mehr Anwendungen von synthetischer Haut, Blase, Leber oder Hornhaut führen.

 

Die Lösung für alarmierende weltweite Organknappheit liegt in der Technologie

 

3D-Bioprinting ist das Ergebnis der Technologie auf kritische Gewebeknappheit, die die Arbeit von Medizinern behindert und viele Leben gefährdet. In den USA hat sich die Zahl der Patienten, die auf einen Organspender warten, in den letzten 26 Jahren verfünffacht, aber die Zahl der Spender betrug nur 13 Prozent der erforderlichen - obwohl sich ihre Zahl in den letzten zwei Jahrzehnten ebenfalls verdoppelt hat. So sieht die tragische Situation aus, dass durchschnittlich achtzehn Menschen jeden Tag aufgrund des Mangels an verfügbaren Organen in den USA sterben.

Auch anderen Ländern geht es nicht besser. Laut Statistiken des NHS starben 2014 in Großbritannien 429 Patienten auf der aktiven Warteliste für eine Organtransplantation, von denen 38 auf Herztransplantationen warteten. Australien ist mit einem kritischen Mangel an gespendetem Gewebe konfrontiert, einschließlich Haut, Knochen, Herzklappen und Sehnen, während Japan gegen einen Mangel an Hautgewebe kämpft, das Verbrennungsopfer rettet. Wie brutal ist es, dass ein Patient, der eine Organtransplantation benötigt, entweder darauf warten muss, dass jemand lebt oder tot ist, um zu spenden?

 

Quelle: www.bioethicsobservatory.org

 

Wie lange müssen wir auf die Kommerzialisierung des 3D-Bioprintings warten?

 

"Die Zukunft des Bioprinting könnte wie das Dell-Modell aussehen", meint Dr. Anthony Atala, Direktor des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, einem der fortschrittlichsten Orte für die Geweberegeneration. Zum Beispiel haben James Yoo und sein Team einen Prototyp entwickelt, mit dem synthetische Haut hergestellt werden kann.

„Ihr Chirurg wird Ihre Gewebeprobe an ein Unternehmen senden. Einige Tage später wird das Organ über FedEx in einem sterilen Behälter ankommen und zur Implantation bereit sein “, erklärte er. Dr. Atala betonte auch, dass es keine chirurgischen Herausforderungen gibt, nur technologische. Wenn wir diese Hürden überwinden können, kann das konstruierte Gewebe als das ursprüngliche fungieren.

Er glaubt, dass Wissenschaftler eines Tages die Funktion beschädigter, komplexer Organe erfolgreich wiederherstellen werden, entweder durch Zelltherapien oder vielleicht durch Einführen einer Scheibe funktionierenden technischen Gewebes in das beschädigte Organ. Es wird viele Jahre dauern, bis es soweit ist.

Es gibt jedoch Hoffnung. Spezifische Gewebe, wie Dr. Atala sagte, wie Blutgefäße, Vagina und Urinröhrchen, wurden bereits im Labor gezüchtet und bei einer kleinen Anzahl von Patienten implantiert, die sich klinischen Studien unterziehen. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Anzahl der Gewebe, die hergestellt werden können, und die Anzahl der Patienten, die davon profitieren könnten, zu erhöhen.

 

Mit 3D-Bioprinting gegen das Testen von Arzneimitteln an Tieren

 

Eine andere, vielleicht weniger beworbene Anwendung von Bioprinting besteht darin, die Notwendigkeit zu beseitigen, neue Medikamente an Tieren zu testen. Klinische Studien sind heute langwierig und teuer. Pharmaunternehmen geben Milliarden von Dollar aus und dennoch wird ein Medikament am Ende des Tages möglicherweise nicht zugelassen. Darüber hinaus ist das Testen von Medikamenten an Mäusen, Kaninchen oder anderen Tieren in vielen Fällen nicht effizient, da das jeweilige Medikament immer noch eine andere Wirkung auf Menschen haben könnte.

Auf der anderen Seite erweist sich 3D-gedrucktes Gewebe als wirksames Mittel zum Testen neuer Arzneimittel, was bedeutet, dass Arzneimittel gründlich bewertet und schneller auf den Markt gebracht werden können, ohne Tieren zu schaden. Da das Testen von Kosmetika an Tieren immer kontroverser war als das Testen für medizinische Zwecke, konnten mit dem Aufkommen des 3D-Drucks der menschlichen Haut das Testen von Kosmetika an Tieren ein für alle Mal verschwinden.

 

Quelle: www.nabr.org

 

Die Pioniere des 3D-Bioprinting: Organovo, CELLINK & Co.

 

Angesichts des Potenzials der Technologie ist es kein Wunder, dass der Markt für Bioprinting-Forschung schnell wächst. Laut einem im Juni 2018 veröffentlichten Bericht von Research and Markets wird der weltweite Bioprinting-Markt bis 2025 voraussichtlich 4,7 Milliarden US-Dollar erreichen.

Das bekannteste Tissue Engineering-Unternehmen ist das in San Diego ansässige Unternehmen Organovo. Es hat aktiv eine Reihe menschlicher Gewebe für die medizinische Forschung und Arzneimittelforschung entwickelt. Dazu gehören sowohl normales Gewebe als auch speziell entwickelte Krankheitsmodelle. Sie arbeiten auch an der Entwicklung spezifischer Gewebe für die klinische Patientenversorgung. 2014 kündigten sie den erfolgreichen Druck von Lebergewebe an, das wochenlang als echte Leber fungierte. Ein Jahr später wurden mit dem 3D-Bioprinter des Unternehmens voll funktionsfähige menschliche Nierenröhrengewebe erzeugt. Organovo hat sich auch mit L’Oreal zusammengetan, um die Entwicklung synthetischer Haut voranzutreiben. Darüber hinaus werden die ersten bioprinted Produkte des Unternehmens voraussichtlich 2018 bei der FDA erhältlich sein.

Das in den USA ansässige Unternehmen CELLINK entwickelt sowohl Bioprinter als auch Bioprinting-Materialien, um Forschern und Gesundheitsdienstleistern druckfertige oder gebrauchsfertige Modelle zur Verfügung zu stellen, die 3D-Zellkultur, personalisierte Medizin und verbesserte Therapeutika ermöglichen. Die disruptive Technologie wird verwendet, um Gewebe wie Leber, Knorpel, Haut und sogar voll funktionsfähige Krebstumoren zu drucken, die dann zur Entwicklung neuer Krebsbehandlungen verwendet werden können.

Ein weiteres US-amerikanisches Unternehmen, der Arzneimittelhersteller United Therapeutics 3D, bioprinted Lungengewebe. Eines Tages plant das Unternehmen, mit einem Drucker wie diesem die menschliche Lunge in „unbegrenzten Mengen“ herzustellen und den gravierenden Mangel an Spenderorganen zu überwinden. Sie sagen jedoch voraus, dass dies erst in 12 Jahren geschehen wird.

In Europa haben Wissenschaftler der spanischen Universidad Carlos III de Madrid in Zusammenarbeit mit dem Bioengineering-Unternehmen BioDan Group einen Prototyp für einen 3D-Bioprinter vorgestellt, mit dem vollständig funktionierende menschliche Haut hergestellt werden kann. Im Juni 2018 gab Poietis, ein in Frankreich ansässiges Unternehmen, zusammen mit Prometheus, einem Geschäftsbereich von Skeletal Tissue Engineering in Leuven, Belgien, bekannt, dass sie einen zweijährigen Verbundforschungsvertrag zur Entwicklung von Geweben für die Skelettregeneration abgeschlossen haben.

 

In-situ-Bioprinting

 

Machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie den Ausdruck noch nie gehört haben - er ist relativ neu und im Moment mehr Science-Fiction als der medizinische Tricorder von Star Trek. Dies bedeutet, dass Gewebe direkt am Verletzungspunkt in 3D gedruckt werden - egal ob es sich um Knochen, Gewebe oder Haut handelt. In den nächsten zehn Jahren können Ärzte möglicherweise Wunden scannen und auf Zellschichten sprühen, um sie sehr schnell zu heilen.

Forscher versuchen bereits, die Machbarkeit des Konzepts herauszufinden. Dr. Venu G. Varanasi, Assistenzprofessor für Biomedizinische Wissenschaften an der Texas A & M University (TAMU), erforscht den In-situ-3D-Druck von Knochen. Er sagt, dass ihr Ziel darin besteht, eines Tages Behandlungen für Knochendefekte so einfach wie eine Zahnfüllung zu haben.

Ein weiteres innovatives Forscherteam der University of Toronto hat einen 3D-Drucker entwickelt, der nicht nur handgehalten wird, sondern auch Hautgewebe druckt. Der tragbare 3D-Bioprinter, der ein wenig an den BioPen zum Knorpelziehen erinnert, lagert sogar Hautschichten ab, um tiefe Wunden zu bedecken und zu reparieren, und die Forscher sagen, dass es wahrscheinlich das erste Gerät seiner Art ist, das Gewebe in situ in weniger als zwei Fällen bildet und ablagert Protokoll. Es ist eine erstaunliche Innovation!

 

Quelle: www.explainingthefuture.com

Die Herausforderungen des 3D-Bioprintings

 

Bioprinting steht aus technologischer, finanzieller und regulatorischer Sicht vor großen Herausforderungen.

Derzeit ist das brennendste Thema die Frage der Regulierung - da ein aktuelles, umfassendes Regelwerk für das Bioprinting noch nicht ausgearbeitet wurde. Dies könnte sehr gefährlich sein, da der Schwarzmarkt für gedruckte Organe am meisten gedeihen könnte, wenn die Vorschriften nicht streng genug und präzise genug sind. Sobald Gerüste verfügbar und Methoden Open Source sind, könnten Menschen auf der ganzen Welt versucht sein, unregulierte und ungetestete Biomaterialien zu drucken und sie an verzweifelte Menschen zu verkaufen. Während die FDA das Engagement der Agentur für eine „neue Ära des 3D-Drucks von Medizinprodukten im Dezember 2017“ bekräftigte, haben sie ihre Leitlinien für das Bioprinting noch nicht eingeführt - und wir können nichts anderes tun, als sie zu drängen, dies so schnell wie möglich zu tun.

Die Kosten für das Bioprinting stellen ebenfalls erhebliche Herausforderungen dar. Für viele Forschungsinstitute und Marktteilnehmer bilden die enormen Kosten der Technologie auch ein erhebliches Hindernis für die Entwicklung. Erschwingliche Preise für Bioprinter könnten sich auch positiv auf die Forschung und das Erscheinungsbild kleinerer Unternehmen für bestimmte Unterabschnitte des Bioprinting auswirken.

 

Quelle: www.princetoninnovation.org

 

3D-Bioprinting ist eine hoch komplizierte Technologie, und ihre vielen technologischen, biologischen Herausforderungen sowie ethischen und regulatorischen Probleme sind bereits aus dieser kurzen Einführung ersichtlich. Es wird nicht über Nacht in der Praxis angewendet und aus der Ferne betrachtet, es ist immer noch reine Science-Fiction. Aber es wird eine Realität sein, mit der man sich innerhalb der nächsten Jahrzehnten befassen muss.

 

Gelesen und übersetzt aus The Medical Futurist.