Aspect Biosystems: Vom Gewebe aus dem 3D-Bioprinter zum funktionierenden Organ

3D-Drucker finden inzwischen ein breites Einsatzgebiet. Sie drucken Häuser, Brücken, Essen, Schuhe und sogar ganze Wolkenkratzer. Und auch in der Wissenschaft und Medizin kommen 3D-Drucker zum Einsatz. Wissenschaftler drucken Blutgefäße und auch Medikamente im 3D-Drucker. In der kanadischen Provinz British Columbia sitzt in der Nähe von Vancouver eine Firma, die das Thema von einer kommerziellen Seite aus angeht – und dabei immensen Erfolg hat. Das Unternehmen Aspect Biosystems wird inzwischen weltweit als eine der führenden Institutionen in Sachen 3D-Bioprinting gesehen und hat erstaunliche Fortschritte dabei gemacht, menschliches Gewebe im 3D-Druckverfahren zu erstellen. Von Organen aus dem 3D-Drucker sind wir allerdings noch weit entfernt.

Lab-on-a-Printer: So funktioniert die Technologie

Die Technologie, die hinter dem Verfahren steht, hat das Unternehmen auf den Namen „Lab-on-a-printer“ getauft. Denn im Grunde betrachtet handelt es sich genau darum: Die Technologie von Aspect Biosystems ist im Grunde eine Art Mini-Labor in Form eines mikrofluidischen Chips. Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen. Der Chip von Aspect Biosystems kann verschiedene Materialien kombinieren und in diversen Verhältnissen miteinander mischen, um das Ergebnis dann aus einer einzelnen Öffnung heraus zu drucken. So können nicht nur wie in einem Labor diverse Parameter flexibel geändert werden, sondern es wird auch eine erstaunliche Präzision beim Druck erreicht. Im Gespräch mit Trends der Zukunft bezeichnete Aspects CEO Tamer Mohamed als „nächste Generation in Sachen Bioprinting“.

Die Herstellung der Gewebe erfolgt dabei in mehreren Schritten: Am Anfang steht ein Computermodel, das dem Drucker sagt, wie das Endprodukt auszusehen hat. Dabei wird es in Zukunft auch möglich sein, auf medizinische Bildgebungsverfahren als Vorlage zurückzugreifen. Der eigentliche Druck durch das Lab-on-a-printer-System erfolgt dann abhängig von der Größe des Endproduktes in wenigen Sekunden oder wenigen Minuten. Als „Tinte“ kommt dabei eine Mischung aus Zellen und verschiedenen Polymeren und Hydrogels zum Einsatz. Beim normalen 3D-Druck wäre der Prozess nun abgeschlossen. Doch die Bioprinting-Technologie von Aspect Biosystems erfordert noch einen weiteren Schritt. „Nach dem Drucken sind wir noch nicht fertig. Deshalb spreche ich auch gern von 4D-Druck. (…) Beim Bioprinting kommt noch eine zeitliche Dimension hinzu. Das Gewebe muss nach dem Druck kultiviert und in manchen Fällen zusätzlich stimuliert werden. Nach einer bestimmten Zeitspanne erhalten wir dann tatsächliches Gewebe„, erläutert Mohamed. Die Kultivierung des Gewebes kann dabei zwischen mehreren Tagen und mehreren Wochen benötigen.

Angefangen hat das Unternehmen mit dem Druck von Gewebe der Atemwege, um sich später dann breiter aufzustellen. Das Gewebe, das mit Hilfe der Lab-on-a-Printer-Technologie entsteht, findet Einsatz bei der Entwicklung von Medikamenten, aber auch in der Rekonstruktionsmedizin.

Pharmaindustrie: Tierversuche sind teuer und wenig effizient

In der Pharmaindustrie bzw. bei der Entwicklung von Medikamenten verlassen sich Wissenschaftler häufig auf Tierversuche. Gegen diese gibt es nicht nur offensichtliche ethische Bedenken, sondern auch ganz praktische. Zum einen Kosten Tierversuche eine Menge Geld. Und zum anderen sind sie nur bedingt geeignet, die Wirkung der Medikamente und Wirkstoffe auf den menschlichen Körper vorherzusagen. Das Resultat ist, dass in den Ergebnissen zwischen präklinischen Studien und klinischen Studien eine enorme Diskrepanz besteht, die bei der Entwicklung neuer Medikamente enorme Ressourcen kostet – nicht zuletzt auch Geld. „90 Prozent der Medikamente, die klinische Studien erreichen, versagen im Endeffekt beim Test am Menschen, und das nach mehreren Jahren Entwicklung und teilweise Hunderten Millionen Dollar Kosten. Dies liegt vor allem an systemischen Differenzen zwischen tierischen und menschlichen Körpern oder aber daran, dass 2D-Zellsysteme nicht genug verlässliche Ergebnisse liefern. Das ist ein Problem. Wenn es uns lediglich gelänge, diese Zahl auf 80 Prozent zu senken, könnten bei der Entwicklung neuer Medikamente Milliarden Dollar gespart werden,“ erklärte Mohamed uns.

Um dies zu erreichen, möchte Aspect Biosystems den Wissenschaftlern mit den Geweben aus dem Bioprinter die Möglichkeit geben, die Wirkung der Medikamente auf den Körper im Vorfeld genauer vorauszusagen.

Reproduktionsmedizin: Eine Meniskus-Sehne aus dem Bioprinter

Ein weiteres Feld, in dem Aspect Biosystems eine Zukunft für die eigene Technologie sieht, ist die Rekonstuktionsmedizin. Gemeinsam mit dem Pharmaunternehmen Johnson und Johnson arbeitet Aspects an der Möglichkeit, Meniskus-Sehnen im Lab-on-a-Printer-System herzustellen. Diese könnten bei schweren Knieverletzungen als Transplantat verwendet werden und so zu besseren Heilungschancen führen. Während momentan beim Druck noch Zellen aus kommerziellen Zelllinien zum Einsatz kommen, könnten in Zukunft Zellen des Patienten selber verwendet werden, um die Gefahr einer Abstoßung des Transplantats zu vermeiden. Ähnliche Verfahren möchte Aspects auch für andere Gewebetypen erarbeiten.

So sieht der Mensikus aus dem Bioprinter im Druck aus.

Bild: Aspect Biosystems

Von gedruckten Organen sind wir noch Jahrzehnte entfernt

Wer 3D-Bioprinting hört, der denkt zwangsläufig an Organe aus dem 3D-Drucker. Und was wäre das für eine fantastische Zukunft, in der wir jedes beliebige Organ unter Verwendung von Zellen des Patienten drucken könnten? Das Resultat wäre ein quasi unerschöpflicher Vorrat an Organen für Transplantationen mit minimaler Abstoß-Gefahr.

Allerdings sind solche Gedanken trotz der enormen Fortschritte, die in dem Bereich gemacht wurden, Zukunftsspinnereien. Von solchen Möglichkeiten sind wir noch Jahrzehnte entfernt, wenn nicht sogar länger. Keines der Projekte von Aspect Biosystems ist momentan soweit, dass es klinisch verwertbare Ergebnisse produzieren könnte. Dies wird noch einige Jahre dauern.

Bild: Aspect Biosystems

Und auf die zukünftige Entwicklung der Technologie angesprochen, reagierte Mohamed auch eher zurückhaltend. Man wolle sich nun erstmal darum kümmern, dass die gedruckten Gewebe auch in der Lage sind, systemische Reaktionen vorherzusagen. Ein großer Kritikpunkt an Bioprinting ist, dass die Gewebe am Ende für sich isoliert sind und die Einflüsse des gesamten Restkörpers fehlen. Dies wolle man ändern, und scheinbar gibt es bei Aspect auch schon die ein oder andere Idee zu dem Thema.

Die Zukunft des Bioprinting wird kein Sprint sein, an dessen Ende in ein paar Jahren Organe aus dem 3D-Drucker stehen. Vielmehr handelt es sich um einen Marathon, bei dem allerdings auch kleinere Fortschritte bereits weitreichende Folgen haben können. Mohamed betonte, dass das Unternehmen eng mit wissenschaftlichen Projekten weltweit zusammenarbeite, um nicht nur die eigene Technologie weiterzuentwickeln, sondern auch den Forschern neue Methoden an die Hand zu geben, um sich langsam an komplexere und vielschichtigere Gewebe heranzutasten.